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Diese
Erfindung betrifft eine wässrige
Zusammensetzung. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine wässrige Zusammensetzung,
die eine wässrige
Dispersion von Polymernanoteilchen (PNP's) mit einem mittleren Durchmesser von
1 bis 50 Nanometern (nm) umfasst, wobei die Teilchen als polymerisierte
Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein wasserlösliches Monomer umfassen. Diese
Erfindung betrifft auch wässrige
Beschichtungszusammensetzungen, die PNP's umfassen.
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„Beschichtungen" umfassen hier Zusammensetzungen,
die auf verschiedene Substrate aufgebracht werden sollen und üblicherweise
als Gebäudebeschichtungen
bezeichnet werden, wie z. B. matte Beschichtungen, halbglänzende Beschichtungen,
glänzende
Beschichtungen, Haftvermittler bzw. Primer, Deckbeschichtungen,
Flecken-blockierende Beschichtungen, penetrierende Porenfüller für poröse Substrate,
wie z. B. gipsartige Oberflächen,
Beton und Marmor, elastomere Beschichtungen, Mastixmaterialien,
Abdichtungsmittel und Versiegelungsmittel; industrielle Beschichtungen,
wie z. B. Platten- und Deckentäfelungsbeschichtungen,
Beschichtungen für
Beförderungsmittel,
Möbelbeschichtungen
und Coilbeschichtungen; Wartungsbeschichtungen, wie z. B. Brücken- und
Tankbeschichtungen, und Straßenmarkierungsanstrichmittel;
Lederbeschichtungen und -behandlungen; Bodenpflegebeschichtungen;
Papierbeschichtungen; Pflegebeschichtungen, wie z. B. für Haar,
Haut, Nägel,
Beschichtungen für
Gewebe bzw. textile Flächengebilde
und Vliese und Pigmentdruckpasten; Druckmaterialien, wie z. B. Tinten
und Überdrucklacke;
und Haftmittelbeschichtungen, wie z. B. druckempfindliche Haftmittel
und Nass- und Trockenlaminierhaftmittel. Nach wässrigen Beschichtungszusammensetzungen,
die eine verbesserte Topfzeit, eine verbesserte Beschichtungsstabilität, eine
verbesserte Einfrier/Huftau-Stabilität und eine verbesserte Härtungszeit
aufweisen, wird seit langem gesucht. Mit „verbesserten" Eigenschaften ist
hier gemeint, dass die Eigenschaften relativ zu denjenigen entsprechender wässriger
Beschichtungszusammensetzungen, in denen die PNP's durch ein gleiches Gewicht von Polymerteilchen
mit der gleichen Zusammensetzung mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm ersetzt sind, verbessert sind.
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Die
veröffentlichte
PCT-Patentanmeldung
WO 99/01522 beschreibt
eine Beschichtungszusammensetzung, die ein Vernetzungsmittel und
Polymerteilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von insbesondere
zwischen etwa 20 und etwa 40 nm aufweist, die in der Gegenwart eines
Reaktionsprodukts von einer oder mehreren Fettcarbonsäure(n) und
Ammoniak und von einem oder mehreren polyfunktionellen aromatischen
oder aliphatischen Amin(en) gebildet wird, wobei die getrocknete
Zusammensetzung eine wasserbeständige
Holzbeschichtung bereitstellt.
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Es
ist nach wie vor erwünscht,
alternative wässrige
Zusammensetzungen mit mindestens einer verbesserten Eigenschaft,
wie es hier beschrieben ist, bereitzustellen. Es wurde nunmehr gefunden,
dass solche Verbesserungen in wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen bereitgestellt werden, die eine wässrige Dispersion
von Polymerteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 50
nm umfassen, wobei die Teilchen als polymerisierte Einheiten mindestens
ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein wasserlösliches Monomer umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten in den
beigefügten
Ansprüchen
dargelegt.
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In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung
bereitgestellt, die eine wässrige
Dispersion von PNP's
(Polymernanoteilchen) mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis
50 nm umfasst, wobei die Nanoteilchen als polymerisierte Einheiten
mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes Monomer und mindestens
ein ethylenisch ungesättigtes,
wasserlösliches
Monomer umfassen.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung
bereitgestellt, die eine wässrige
Dispersion von ersten Polymerteilchen, bei denen es sich um PNP's mit einem mittleren
Durchmesser von 1 bis 50 nm handelt, wobei die ersten Teilchen als
polymerisierte Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, wasserlösliches
Monomer umfassen, und eine wässrige
Dispersion von zweiten Polymerteilchen mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm umfasst.
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In
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung
bereitgestellt, die ein Pigment, eine wässrige Dispersion von PNP's mit einem mittleren
Durchmesser von 1 bis 50 nm, wobei die Teilchen eine Aminfunktionalität umfassen
und ferner als polymerisierte Einheiten mindestens ein mehrfach
ethylenisch ungesättigtes
Monomer umfassen, ein anionisch-stabilisiertes Emulsionspolymer
mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 50 nm und eine leicht
flüchtige
Base in einer Menge, die ausreichend ist, um das Amin zu deprotonieren,
umfasst.
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In
einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung
bereitgestellt, die ein Pigment und eine wässrige Dispersion von PNP's mit einem mittleren
Durchmesser von 1 bis 50 nm umfasst, wobei die Teilchen als polymerisierte
Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens 2 Gew.-%, auf der Basis des Gewichts der
Teilchen, ionisches, ethylenisch ungesättigtes Monomer umfassen.
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Die
wässrige
Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst eine wässrige Dispersion
von Polymerteilchen mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von
1 bis 50 nm, wobei die Teilchen als polymerisierte Einheiten mindestens
ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein ethylenisch ungesättigtes wasserlösliches
Monomer umfassen. Der Begriff „Dispersion" bezieht sich hier
auf einen physikalischen Materialzustand, der mindestens zwei unterscheidbare
Phasen umfasst, wobei eine erste Phase in einer zweiten Phase verteilt
ist, wobei die zweite Phase ein kontinuierliches Medium ist. Mit „wässrig" ist hier ein Medium
gemeint, das 50 bis 100 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gewicht des
wässrigen
Mediums, enthält.
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Die
PNP's sind Additionspolymere,
die als polymerisierte Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch
ungesättigtes
Monomer und mindestens ein ethylenisch ungesättigtes wasserlösliches
Monomer enthalten. Mehrfach ethylenisch ungesättigte Monomere, die in der
vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen di-, tri-, tetra-
oder höhere
mehrfachfunktionelle ethylenisch ungesättigte Monomere, wie z. B.
Divinylbenzol, Trivinylbenzol, Divinyltoluol, Divinylpyridin, Divinylnaphthalin,
Divinylxylol, Ethylenglycoldi(meth)acrylat, Trimethylolpropantri(meth)acrylat,
Diethylenglycoldivinylether, Trivinylcyclohexan, Allyl(meth)acrylat,
Diethylenglycoldi(meth)acrylat, Propylenglycoldi(meth)acrylat, 2,2-Dimethylpropan-1,3-di(meth)acrylat,
1,3-Butylenglycoldi(meth)acrylat, 1,4-Butandioldi(meth)-acrylat,
1,6-Hexandioldi(meth)acrylat,
Tripropylenglycoldi(meth)acrylat, Triethylenglycoldi(meth)acrylat,
Tetraethylenglycoldi(meth)acrylat, Polyethylenglycoldi(meth)acrylate,
wie Polyethylenglycol-200-di(meth)acrylat
und Polyethylenglycol-600-di(meth)acrylat, ethoxyliertes Eisphenol-A-di(meth)acrylat,
Poly(butandiol)di(meth)acrylat, Pentaerythritoltri(meth)-acrylat,
Trimethylolpropantriethoxytri(meth)acrylat, Glycerinpropoxytri(meth)acrylat,
Pentaerythritoltetra(meth)acrylat, Dipentaerythritolmonohydroxypenta(meth)acrylat,
Divinylsilan, Trivinylsilan, Dimethyldivinylsilan, Divinylmethylsilan,
Methyltrivinylsilan, Diphenyldivinylsilan, Divinylphenylsilan, Trivinylphenylsilan,
Divinylmethylphenylsilan, Tetravinylsilan, Dimethylvinyldisiloxan,
Poly(methylvinylsiloxan), Poly(vinylhydrosiloxan), Poly(phenylvinylsiloxan)
und Gemische davon. Der Begriff „(Meth)acryl" umfasst sowohl Acryl
als auch Methacryl und der Begriff „(Meth)acrylat" umfasst sowohl Acrylat
als auch Methacrylat. Entsprechend bezieht sich der Begriff „(Meth)acrylamid" sowohl auf Acrylamid
als auch auf Methacrylamid. „Alkyl" umfasst geradkettige,
verzweigte und cyclische Alkylgruppen.
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Typischerweise
enthalten die PNP's
mindestens 1 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der PNP's, von mindestens
einem polymerisierten, mehrfach ethylenisch ungesättigten
Monomer. Bis zu und einschließlich 99,5
Gew.-% polymerisiertes, mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer, bezogen auf das Gewicht der PNP's, werden in den Teilchen der vorliegenden
Erfindung effektiv verwendet. Es ist bevorzugt, dass die Menge an
polymerisiertem, mehrfach ethylenisch ungesättigten Monomer 1 Gew.-% bis
80 Gew.-%, mehr bevorzugt 1 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere von
1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der PNP's beträgt.
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Die
PNP's enthalten
ferner als polymerisierte Einheiten mindestens ein wasserlösliches
Monomer. Mit „wasserlösliches
Monomer" ist hier
ein Monomer mit einer Löslichkeit
in Wasser von mindestens 7 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 9 Gew.-%
und insbesondere mindestens 12 Gew.-% bei einer Temperatur von 25°C gemeint.
Daten bezüglich
der Wasserlöslichkeit
von Monomeren finden sich z. B. in „Polymer Handbook" (zweite Auflage,
J. Brandrup, E.H. Immergut, Herausgeber, John Wiley & Sons, New York)
und „Merck
Index" (elfte Auflage,
Merck & Co.,
Inc., Rahway, New Jersey). Beispiele für wasserlösliche Monomere umfassen ethylenisch
ungesättigte
ionische Monomere und ethylenisch ungesättigte wasserlösliche,
nichtionische Monomere. Typischerweise beträgt die Menge des polymerisierten
wasserlöslichen
Monomers mindestens 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der PNP's. Bis zu und einschließlich 99
Gew.-% polymerisiertes wasserlösliches
Monomer, bezogen auf das Gewicht der PNP's, können
in den Teilchen der vorliegenden Erfindung effektiv verwendet werden.
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Ein
ethylenisch ungesättigtes
ionisches Monomer, das hier als „ionisches Monomer" bezeichnet wird, ist
ein Monomer, das in dem wässrigen
Medium eine ionische Ladung aufweisen kann, in dem die PNP's dispergiert sind.
Geeignete ionische Monomere umfassen z. B. Säure-enthaltende Monomere, Base-enthaltende Monomere,
amphotere Monomere, quaternisierte Stickstoff-enthaltende Monomere
und andere Monomere, die anschließend in ionische Monomere umgewandelt
werden können,
wie z. B. Monomere, die durch eine Säure-Base-Reaktion zur Bildung eines ionischen
Monomers neutralisiert werden können.
Geeignete Säuregruppen
umfassen Carbonsäuregruppen
und starke Säure-Gruppen,
wie z. B. Phosphor-enthaltende Säuren und
Schwefel-enthaltende Säuren.
Geeignete Basegruppen umfassen Amine. Es ist bevorzugt, dass die
Menge an polymerisiertem ionischen Monomer, bezogen auf das Gewicht
der PNP's, im Bereich
von 0,5 bis 99 Gew.-%, mehr bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 Gew.-%,
noch mehr bevorzugt im Bereich von 2 bis 40 Gew.-% und insbesondere
von 3 bis 25 Gew.-% liegt.
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Geeignete
Carbonsäure-enthaltende
Monomere umfassen Carbonsäuremonomere,
wie z. B. (Meth)acrylsäure,
Acryloxypropionsäure
und Crotonsäure;
Dicarbonsäuremonomere,
wie z. B. Itaconsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und
Citraconsäure;
und Monomere, die Halbester von Dicarbonsäuren sind, wie z. B. Monomere,
die eine Carbonsäurefunktionalität und einen
C
1-6-Ester enthalten. Bevorzugt sind Acrylsäure und
Methacrylsäure.
Geeignete starke Säure-Monomere
umfassen Schwefelsäuremonomere,
wie z. B. 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Sulfoethyl(meth)acrylat,
Sulfopropyl(meth)acrylat, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfinsäure, Styrolsulfinsäure und
Vinylsulfinsäure;
und Phosphorsäuremonomere,
wie z. B. 2-Phosphoethyl(meth)acrylat, Vinylphosphorsäure und
Vinylphosphinsäure.
Andere Säuremonomere
umfassen endständig
ungesättigte
Säure-enthaltende
Makromonomere, wie sie in dem
US-Patent
Nr. 5,710,227 beschrieben sind. Phosphorsäuremonomere
sind bevorzugt, da sie eine verbesserte Haftung an bestimmten Substraten
(wie z. B. Metall) bereitstellen können.
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Geeignete
Base-enthaltende Monomere umfassen Monomere mit einer Aminfunktionalität, die N,N-Dimethylaminoethyl(meth)acrylat,
N,N-Diethylaminoethyl(meth)acrylat, N-t-Butylaminoethyl(meth)acrylat, N,N-Dimethylaminopropyl(meth)acrylamid,
p-Aminostyrol, N,N-Cyclohexylallylamin, Allylamin, Diallylamin,
Dimethylallylamin, N-Ethyldimethylallylamin, Crotylamine und N-Ethylmethallylamin
umfassen; Monomere mit einer Pyridinfunktionalität, die 2-Vinylpyridin und 4-Vinylpyridin
umfassen; Monomere mit einer Piperidinfunktionalität, wie z.
B. Vinylpiperidine; und Monomere mit einer Imidazolfunktionalität, die Vinylimidazol
umfassen. Andere geeignete, Base-enthaltende Monomere umfassen Oxazolidinylethyl(meth)acrylat,
Vinylbenzylamine, Vinylphenylamine, substituierte Diallylamine,
2-Morpholinoethyl(meth)acrylat,
Methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid, Diallyldimethylammoniumchlorid,
2-Trimethylammoniumethylmethacrylchlorid und dergleichen.
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Geeignete
amphotere Monomere umfassen innere N-Vinylimidazoliumsulfonatsalze
und N,N-Dimethyl-N-(3-methacrylamidopropyl)-N-(3-sulfopropyl)ammoniumbetain.
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Geeignete
funktionelle Monomere, in denen die Funktionalität anschließend in eine Säure oder
Base umgewandelt wird, umfassen Monomere, die eine Epoxidfunktionalität, wie z.
B. Glycidyl(meth)acrylat und Allylglycidylether; ein Anhydrid, wie
z. B. Maleinsäureanhydrid;
einen Ester, wie z. B. Methylacrylat und ein Halogenid enthalten.
Geeignete Halogenidenthaltende funktionelle Monomere umfassen vinylaromatische
Halogenide und Halogenal kyl(meth)acrylate. Geeignete vinylaromatische
Halogenide umfassen Vinylbenzylchlorid und Vinylbenzylbromid. Andere
geeignete funktionelle Monomere umfassen Allylchlorid, Allylbromid
und (Meth)acrylsäurechlorid.
Geeignete Halogenalkyl(meth)acrylate umfassen Chlormethyl(meth)acrylat.
Geeignete funktionelle Monomere, in denen die Funktionalität anschließend in
eine nichtionische wasserlösliche Gruppe
umgewandelt wird, umfassen Vinylacetat. Die Hydrolyse des polymerisierten
Vinylacetats stellt Hydroxylgruppen für die PNP's bereit.
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Mehrfach
ethylenisch ungesättigte
Monomere, die auch wasserlösliche
Monomere sind, werden alternativ zur Herstellung der PNP's verwendet. In solchen
Ausführungsformen
werden diese Monomere für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung sowohl als mehrfach ethylenisch
ungesättigtes
Monomer als auch als ein wasserlösliches
Monomer klassifiziert. Ein Beispiel für ein wasserlösliches,
mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer ist Phosphodi(ethylmethacrylat).
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Ethylenisch
ungesättigte
wasserlösliche,
nichtionische Monomere werden hier als „wasserlösliche, nichtionische Monomere" bezeichnet. Beispiele
für wasserlösliche,
nichtionische Monomere umfassen Hydroxyalkyl(meth)acrylate, wie
z. B. Hydroxyethyl(meth)acrylat und Hydroxypropyl(meth)acrylat;
Poly(alkylenoxid)ester von (Meth)acrylsäure, wie z. B. Poly(ethylenoxid)20-methacrylat und Poly(propylenoxid)150-acrylat; Acrylamid und Methacrylamid.
Es ist bevorzugt, dass die Menge an polymerisiertem wasserlöslichen,
nichtionischen Monomer, bezogen auf das Gewicht der PNP's, im Bereich von
0,5 bis 99 Gew.-%, mehr bevorzugt im Bereich von 20 bis 90 Gew.-%,
noch mehr bevorzugt von 30 bis 80 Gew.-% und insbesondere von 40
bis 70 Gew.-% liegt. Wenn die PNP's als polymerisierte Einheiten ionisches
Monomer und nichtionisches, wasserlösliches Monomer umfassen, sind
niedrigere Gehalte an polymerisiertem nichtionischen, wasserlöslichen
Monomer bevorzugt.
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Die
PNP's enthalten
gegebenenfalls als polymerisierte Einheiten ein oder mehrere dritte(s)
Monomer(e), bei dem bzw. denen es sich nicht um mehrfach ethylenisch
ungesättigte
Monomere handelt und nicht um wasserlösliche Monomere handelt. Geeignete
dritte Monomere umfassen C1-C24-Alkyl(meth)acrylate,
wie z. B. Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat,
Butyl(meth)acrylat, Isobutyl(meth)acrylat, Hexyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat,
2-Ethylhexyl(meth)acrylat, Octyl(meth)acrylat, Decyl(meth)acrylat,
Dodecyl(meth)acrylat, Pentadecyl(meth)acrylat, Hexadecyl(meth)acrylat,
Octadecyl(meth)acrylat und Nonadecyl(meth)acrylat und Gemische davon.
Andere geeignete dritte Monomere umfassen Vinylacetat, Vinylversatat,
Diisobutylen, Ureido-enthaltende Monomere, wie z. B. N-(Ethylenureidoethyl)-4-pentenamid,
N-(Ethylenthioureidoethyl)-10-undecenamid, Butylethy lenureidoethylfumarat,
Methylethylenureidoethylfumarat, Benzyl-N-(ethylenureidoethyl)fumarat
und Benzyl-N-(ethylenureidoethyl)maleamat, vinylaromatische Monomere,
wie z. B. Styrol, α-Methylstyrol,
Vinyltoluol, p-Methylstyrol, Ethylvinylbenzol, Vinylnaphthalin,
Vinylxylole und Nonylphenoxypropenyl-polyethoxylierter Alkohol.
Die vinylaromatischen Monomere umfassen auch deren entsprechend
substituierten Gegenstücke,
wie z. B. halogenierte Derivate, d. h. die eine oder mehrere Halogengruppe(n)
wie Fluor, Chlor oder Brom enthalten, und Nitro, Cyano, (C1-C10)-Alkoxy, Halogen(C1-C10)-alkyl, (C1-C10)-Alkoxy, Carboxy
und dergleichen.
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Die
PNP's weisen einen
mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 nm, vorzugsweise im
Bereich von 1 bis 40 nm, mehr bevorzugt von 1 bis 30 nm, noch mehr
bevorzugt von 1 bis 25 nm, noch mehr bevorzugt von 1 bis 20 nm und
insbesondere von 1 bis 10 nm auf. Es ist ferner typisch, dass die
PNP's einen mittleren Teilchendurchmesser
von mindestens 1,5 nm, vorzugsweise mindestens 2 nm aufweisen. Ein
Verfahren zur Bestimmung der Teilchengröße (mittlerer Teilchendurchmesser)
der PNP's besteht
darin, Standardtechniken der dynamischen Lichtstreuung zu verwenden,
bei denen die Korrelationsfunktionen unter Verwendung von Laplace-Inversionsverfahren,
wie z. B. CONTIN, in hydrodynamische Größen umgerechnet werden.
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Typischerweise
weisen PNP's, die
als polymerisierte Einheiten weniger als 10 Gew.-% mehrfach ethylenisch
ungesättigtes
Monomer umfassen, eine Glasübergangstemperatur
von –90°C bis 170°C für die Zusammensetzung
in der Abwesenheit des polymerisierten, mehrfach ethylenisch ungesättigten
Monomers auf, bestimmt mittels einer modulierten Differentialscanningkalorimetriemessung.
Bei PNP's, die als
polymerisierte Einheiten mindestens 50 Gew.-% mehrfach ethylenisch
ungesättigtes
Monomer umfassen, wird davon ausgegangen, dass sie Glasübergangstemperaturen
von mindestens 50°C
aufweisen.
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Die
PNP's der vorliegenden
Erfindung weisen typischerweise ein „scheinbares Gewichtsmittel
des Molekulargewichts" im
Bereich von 5000 bis 1000000, vorzugsweise im Bereich von 10000
bis 500000 und mehr bevorzugt im Bereich von 15000 bis 100000 auf.
Das hier verwendete „scheinbare
Gewichtsmittel des Molekulargewichts" gibt die Größe der PNP-Teilchen unter Verwendung von Standard-Gelpermeationschromatographieverfahren
wieder, wie z. B. unter Verwendung von THF als Lösungsmittel bei 40°C, 3 PlgelTM-Säulen (Polymer
Labs, Amherst, MA), 100 Angstrom (10 nm), 103 Angstrom
(100 nm), 104 Angstrom (1 Mikrometer), 30
cm lang, 7,8 mm Innendurchmesser, 1 ml pro Minute, 100 Mikroliter
Injektionsvolumen, kalibriert auf enge Polystyrolstandards unter
Verwendung von Polymer Labs CALIBRETM-Software.
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Die
PNP's werden gegebenenfalls
so charakterisiert, dass sie eine geeignete Hydrophilie aufweisen, so
dass die PNP's in
einem wässrigen
Medium dispergiert werden können.
Ein Verfahren zur Charakterisierung der Hydrophilie der PNP's besteht darin,
den Hansch-Parameter
zu berechnen. Der Hansch-Parameter wird unter Verwendung eines Gruppenbeitragsverfahrens
berechnet. Den Monomereinheiten, die das Polymer bilden, wird ein
Hydrophobiebeitrag zugeordnet und die relative Hydrophobie des Polymers
wird auf der Basis des Gewichtsmittels des Monomers in dem Polymer
berechnet. Hansch und Fujita, J. Amer. Chem. Soc., 86, 1616–1626 (1964);
H. Kubinyi, Methods and Principles of Medicinal Chemistry, Band
1, R. Mannhold et al., Hrsg., VCH, Weinheim (1993); C. Hansch und
A. Leo, Substituent Constants for Correlation Analysis in Chemistry
and Biology, Wiley, New York (1979); und C. Hansch, P. Maloney,
T. Fujita und R. Muir, Nature, 194, 178–180 (1962).
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Die
Werte der Hydrophobiebeiträge
für einige
Monomere sind in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle
1
| Monomer | Hydrophobiebeitrag |
| Ethylacrylat | 2,11 |
| Butylacrylat | 3,19 |
| 2-Ethylhexylacrylat | 5,22 |
| Styrol | 4,29 |
| Methylmethacrylat | 1,89 |
| Ethylmethacrylat | 2,43 |
| Butylmethacrylat | 3,51 |
| Isobornylmethacrylat | 5,0 |
| Butadien | 4,0 |
| Acrylsäure (hoher
pH-Wert) | –2,52 |
| Methacrylsäure (hoher
pH-Wert) | –2,2 |
| Maleinsäureanhydrid | –3,5 |
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PNP's weisen typischerweise
einen Hansch-Parameter im Bereich von –2,5 bis 4,0, vorzugsweise
von –1,0
bis 3,0 auf.
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Die
PNP's enthalten
gegebenenfalls andere funktionelle Gruppen, die durch die Polymerisation
von Monomeren bereitgestellt werden, die Gruppen wie z. B. methylolierte
Amide und Silanole oder Vorstufengruppen davon enthalten. Funktionelle
Gruppen werden durch Umsetzen der ionischen Gruppe des PNP mit einer geeigneten
Verbindung gegebenenfalls an die PNP's gebunden. Beispielsweise werden PNP's, die Carbonsäuregruppen
enthalten, durch Umsetzen von Carbonsäuregruppen mit einem geeigneten
Alkohol, wie z. B. einem verkappten Polyalkylenoxid, so modifiziert,
dass sie gebundene hydrophile Gruppen enthalten. Alternativ werden
funktionelle Gruppen durch nicht-Radikalreaktionen, die zur Bildung
von ionischen oder kovalenten Bindungen zwischen einer modifizierenden
Verbindung, welche die Gruppen enthält, und komplementär reaktiven
Gruppen, die kovalent an das PNP gebunden sind, an die PNP's gebunden, wie es
in dem
US-Patent Nr. 5,270,380 gelehrt
wird.
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Die
komplementär
reaktiven Gruppen in dem PNP und die modifizierende Verbindung stellen
ein ionisches oder kovalentes Binden bereit. Das komplementäre ionische
Binden umfasst eine Säure-Base-Wechselwirkung
und ein Ionenpaarbinden von negativ und positiv geladenen Atomen.
Ein kovalentes Binden durch komplementär reaktive Gruppen umfasst
z. B. (a) Acetoacetat-Aldehyd, (b) Acetoacetat-Amin, (c) Amin-Aldehyd,
(d) Amin-Anhydrid, (d) Amin-Isocyanat,
(f) Amin-Epoxy, (g) Aldehyd-Hydrazid, (i) Säure-Epoxy, (j) Säure-Carbodiimid,
(k) Säure-Chlormethylester,
(l) Säure-Chlormethylamin,
(m) Säure-Anhydrid,
(n) Säure-Aziridin,
(o) Epoxy-Mercaptan und (p) Isocyanat-Alkohol. Die erste oder zweite
reaktive Gruppe in jedem Paar liegt entweder in dem PNP oder alternativ
in der modifizierenden Verbindung vor.
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Ein
geeignetes Verfahren zur Herstellung der wässrigen Zusammensetzung, welche
die PNP's dispergiert
in einem wässrigen
Medium enthält,
umfasst die Schritte des Herstellens einer nicht-wässrigen
PNP-Dispersion, welche die PNP's
dispergiert in mindestens einem Lösungsmittel enthält, und
des Vereinigens der nicht-wässrigen
PNP-Dispersion mit einem wässrigen
Medium. Mit „nicht-wässrig" ist hier ein Medium
gemeint, das 0 bis weniger als 50 Gew.-% Wasser, bezogen auf das
Gewicht des nicht-wässrigen
Mediums, enthält. Wässrige Zusammensetzungen,
die PNP's enthalten,
die als polymerisierte Einheiten ionische Monomere umfassen, werden
vor, während
oder nach dem Vereinigen mit dem wässrigen Medium gegebenenfalls
partiell oder vollständig
neutralisiert.
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Ein
geeignetes Polymerisationsverfahren zur Herstellung der nicht-wässrigen
PNP-Dispersion ist
eine freie Radikale-Lösungspolymerisation
von mindestens einem mehrfach ethylenisch ungesättigten Monomer, mindestens
einem wasserlöslichen
Monomer und gegebenenfalls mindestens einem dritten Monomer. Mit „Lösungspolymerisation" ist hier eine freie
Radikale-Additionspolymerisation in einem geeigneten Lösungsmittel für das Polymer
gemeint. Mit „geeignetes
Lösungsmittel
für das
Polymer" ist hier
gemeint, dass lineare, statistische (Co)-Polymere mit im Wesentlichen
den PNP's ähnlichen
polymerisierten Monomereinheiten in dem Lösungsmittel löslich sind.
Ein weiteres Verfahren zum Auswählen
eines geeigneten Lösungsmittels
oder Gemischs von Lösungsmitteln
findet auf der Basis der Ver wendung einer Lösungsmittelparameteranalyse
statt. Gemäß solcher
Verfahren wird die Eignung des Lösungsmittels
durch im Wesentlichen Angleichen der Löslichkeitsparameter des PNP
und des Lösungsmittels
bestimmt, wie z. B. der Van Krevelen-Parameter von delta d, delta
p, delta h und delta v. Vgl. z. B. Van Krevelen et al., Properties
of Polymers. Their Estimation and Correlation with Chemical Structure,
Elsevier Scientific Publishing Co., 1976, Olabisi et al., Polymer-Polymer
Miscibility, Academic Press, NY, 1979, Coleman et al., Specific
Interactions and the Miscibility of Polymer Elends, Technomic, 1991
und A.F.M. Barton, CRC Handbook of Solubility Parameters and Other
Cohesion Parameters, 2. Auflage, CRC Press, 1991. Delta d ist ein
Maß für die dispersiven
Wechselwirkungen, delta p ist ein Maß für die polaren Wechselwirkungen,
delta h ist ein Maß für die Wasserstoffbindungswechselwirkungen
und delta v ist ein Maß sowohl
für dispersive
als auch für
polare Wechselwirkungen. Solche Löslichkeitsparameter werden
alternativ z. B. man sich bekannter Weise mit dem Gruppenbeitragsverfahren
oder experimentell bestimmt. Ein bevorzugtes Lösungsmittel weist einen delta
v-Parameter innerhalb von 5 (Joule pro cm3)1/2, vorzugsweise innerhalb von 1 (Joule
pro cm3)1/2 des
delta v-Parameters des Polymers auf. Geeignete Lösungsmittel für die Polymerisation
umfassen organische Lösungsmittel,
wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Alkane, Halogenkohlenwasserstoffe,
chlorierte, fluorierte und bromierte Kohlenwasserstoffe, aromatische
Kohlenwasserstoffe, Ether, Ketone, Ester, Alkohole und Gemische
davon. Besonders geeignete Lösungsmittel
umfassen abhängig
von der Zusammensetzung des PNP Dodecan, Mesitylen, Xylole, Diphenylether,
gamma-Butyrolacton, Ethylacetat, Ethyllactat, Propylenglycolmonomethyletheracetat,
Caprolacton, 2-Heptanon, Methylisobutylketon, Aceton, Methylethylketon,
Diisobutylketon, Propylenglykolmonomethylether, Alkylalkohole, wie
z. B. Isopropanol, Decanol und t-Butanol, sowie überkritisches Kohlendioxid.
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Die
nicht-wässrige
PNP-Dispersion wird durch zuerst Einbringen eines Lösungsmittels
oder alternativ eines Gemischs aus Lösungsmittel und eines Teils
der Monomere in einen Reaktionsbehälter hergestellt. Die Monomerbeschickung
ist typischerweise aus Monomeren, einem Initiator und einem Kettenübertragungsmittel zusammengesetzt.
Typischerweise liegen Initiierungstemperaturen in dem Bereich von
55°C bis
125°C, obwohl
niedrigere oder höhere
Initiatortemperaturen unter Verwendung geeigneter bekannter Niedertemperatur- oder
Hochtemperaturinitiatoren möglich
sind. Nachdem die Basisbeschickung eine Temperatur erreicht hat, die
zur Initiierung der Polymerisation ausreichend ist, wird die Monomerbeschickung
oder der Rest der Monomerbeschickung dem Reaktionsbehälter zugesetzt.
Der Monomerbeschickungszeitraum liegt typischerweise im Bereich
von 15 min bis 4 Stunden. Während
der Monomerbeschickung wird die Reaktionstemperatur typischerweise
konstant gehalten, obwohl es möglich
ist, die Reaktionstemperatur zu variieren. Nach dem Ende der Zugabe
des Monomergemischs kann der Reaktion zusätzlicher Initiator in Lösungsmittel
zugesetzt werden und/oder das Reaktionsgemisch kann für eine Zeit
gehalten werden.
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Die
Kontrolle der PNP-Teilchengröße und -verteilung
wird durch eines oder mehrere von Verfahren wie z. B. Auswahl des
Lösungsmittels,
Auswahl des Initiators, Konzentration der Gesamtfeststoffe, Initiatorkonzentration,
Art und Menge an mehrfachfunktionellem Monomer, Art und Menge an
ionischem Monomer, Art und Menge an Kettenübertragungsmittel und Reaktionsbedingungen
erreicht.
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Initiatoren,
die in der freie Radikale-Polymerisation der vorliegenden Erfindung
geeignet sind, umfassen z. B. eines oder mehrere von Peroxyestern,
Alkylhydroperoxiden, Dialkylperoxiden, Azoinitiatoren, Persulfaten,
Redoxinitiatoren und dergleichen. Die Menge des verwendeten freie
Radikale-Initiators beträgt
typischerweise 0,05 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des gesamten
Monomers. Kettenübertragungsreagenzien
werden üblicherweise
verwendet, um das Ausmaß der
Polymerisation der PNP's,
die in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, zu steuern. Geeignete
Kettenübertragungsreagenzien
umfassen z. B.: Alkylmercaptane, wie z. B. Dodecylmercaptan, aromatische
Kohlenwasserstoffe mit aktivierten Wasserstoffatomen, wie z. B.
Toluol, und Alkylhalogenide, wie z. B. Bromtrichlorethan.
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In
einem Verfahren zur Herstellung der wässrigen Zusammensetzung der
vorliegenden Erfindung wird mindestens ein Teil der polymerisierten
ionischen Monomereinheiten der PNP's mit mindestens einem Neutralisationsmittel
zur Bildung einer mindestens teilweise neutralisierten, nicht-wässrigen
PNP-Dispersion neutralisiert. Die polymerisierten ionischen Monomereinheiten
der PNP's können auf
verschiedenartige Weise neutralisiert werden. Wenn die polymerisierten
ionischen Monomereinheiten sauer sind, ist das Neutralisationsmittel
typischerweise eine Base. Entsprechend ist dann, wenn die polymerisierten
ionischen Monomereinheiten basisch sind, das Neutralisationsmittel
typischerweise eine Säure.
Geeignete Basen umfassen anorganische und organische Basen. Geeignete
anorganische Basen umfassen den gesamten Bereich der Hydroxid-,
Carbonat-, Hydrogencarbonat- und Acetatbasen von Alkali- oder Erdalkalimetallen.
Geeignete organische Basen umfassen Ammoniak, primäre/sekundäre/tertiäre Amine,
Diamine und Triamine. Bevorzugte basische Neutralisationsmittel
umfassen Natriumhydroxid und Ammoniumhydroxid. Geeignete Säuren umfassen
Carbonsäuren,
wie z. B. Essigsäure,
Dicarbonsäuren,
(Di)carbon/hydroxylsäuren,
aromatische Säuren,
wie z. B. Benzoesäure,
und verschiedene andere Säuren,
wie z. B. Bor-, Kohlen-, Zitronen-, Jodsäure, salpetrige Säure, Salpeter-,
Periodsäure,
phosphorige Säure,
Phosphor-, Schwefelsäure,
schweflige Säure
und Chlorwasserstoffsäure.
Keine der vorstehend genannten Kategorien von Basen und Säuren soll
beschränkend
aufgefasst werden.
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Die
Menge an Neutralisationsmittel, die zur Neutralisation der nicht-wässrigen
PNP-Dispersion erforderlich
ist, wird typischerweise auf einer molaren Basis des Neutralisationsmittels
zu den polymerisierten ionischen Monomereinheiten der PNP's bestimmt. Ohne
Bindung an eine bestimmte Theorie wird die Menge der polymerisierten
ionischen Monomereinheiten (d. h. das Ausmaß der Ladung), die zur Stabilisierung
der PNP's erforderlich
ist (d. h. zum Aufrechterhalten der Teilchengröße während der Umwandlung von einem
nichtwässrigen
in ein wässriges
Medium), mit der Variation der PNP-Zusammensetzung und der Eigenschaften
variieren. Es wird angenommen, dass die Hydrophobie, die Tg, das
Vernetzungsniveau und die Art des Gegenions von dem Neutralisationsmittel
des PNP wichtige Variablen sind. Zur Bereitstellung stabiler wässriger
PNP-Dispersionen (d. h. bei denen das Ausflocken der PNP's minimiert ist)
sind die polymerisierten ionischen Monomereinheiten vorzugsweise
zu mindestens 20%, mehr bevorzugt zu mindestens 50%, noch mehr bevorzugt
zu mindestens 80% und insbesondere zu mindestens 90% neutralisiert.
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Das
Neutralisieren der PNP's
wird alternativ in unterschiedlicher Art und Weise durchgeführt. In
einem Verfahren wird die nicht-wässrige
PNP-Dispersion einer Lösung,
die das Neutralisationsmittel enthält, unter Rühren zugesetzt. Vorzugsweise
wird das Neutralisationsmittel als eine wässrige Lösung im Laufe der Zeit zugesetzt,
während
die nicht-wässrige
PNP-Dispersion gerührt wird,
um eine mindestens teilweise neutralisierte nicht-wässrige PNP-Dispersion bereitzustellen.
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In
einem Verfahren zur Herstellung der wässrigen Zusammensetzung, die
dispergierte PNP's
enthält, wird
die eine mindestens teilweise neutralisierte, nicht-wässrige PNP-Dispersion mit einem
wässrigen
Medium vereinigt. Das wässrige
Medium enthält
gegebenenfalls das bzw. die Neutralisierungsmittel zum Neutralisieren der
PNP's, wobei in
diesem Fall die nicht-wässrige
PNP-Dispersion gleichzeitig neutralisiert und mit einem wässrigen
Medium vereinigt werden kann. Das wässrige Medium enthält gegebenenfalls
grenzflächenaktive Mittel,
welche die Stabilität
der PNP's verändern können oder
andere Eigenschaften der resultierenden wässrigen PNP-Dispersion verändern können, wie
z. B. deren Oberflächenspannung.
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Die
Abfolge des Mischens der teilweise neutralisierten, nicht-wässrigen
PNP-Dispersion und des wässrigen
Mediums ist nicht kritisch. Verschiedene Verfahren und Geräte, die
zum Mischen geeignet sind, sind in The Chemical Engineer's Handbook, 5. Auflage,
Perry und Chilton, Herausgeber, McGraw-Hill, Kapitel 21, 1973 beschrieben.
Typischerweise wird das wässrige
Medium kontinuierlich gerührt,
während
die teilweise neutralisierte, nicht-wässrige PNP-Dispersion dem wässrigen
Medium zugesetzt wird, um sicherzustellen, dass das Lösungsmittel
innig mit dem wässrigen
Medium gemischt wird, was das Ausflocken der PNP's minimiert.
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Geeignete
prozentuale Anteile der PNP's
in der wässrigen
Zusammensetzung, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen
Zusammensetzung liegen typischerweise bei 1 bis 90 Gew.-%, mehr
bevorzugt bei 2 bis 75 Gew.-%, noch mehr bevorzugt bei 4 bis 65
Gew.-%, noch mehr bevorzugt bei 8 bis 55 Gew.-% und insbesondere
bei 10 bis 45 Gew.-%.
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Während die
Herstellung der wässrigen
Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung
von grenzflächenaktiven
Mitteln erfordert und es typisch ist, dass die nichtwässrigen
PNP-Dispersionen im Wesentlichen frei von grenzflächenaktiven
Mitteln sind, werden gegebenenfalls grenzflächenaktive Mittel einbezogen.
Wenn diese vorliegen, beträgt
die Menge an grenzflächenaktiven
Mitteln weniger als 3 Gew.-%, typischerweise weniger als 2 Gew.-%,
mehr bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, noch mehr bevorzugt weniger
als 0,5 Gew.-% und insbesondere weniger als 0,2 Gew.-%, bezogen
auf das Gesamtgewicht der PNP's.
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Die
wässrige
Zusammensetzung wird gegebenenfalls behandelt, um mindestens einen
Teil des Lösungsmittels
und in manchen Fällen
Wasser zu entfernen, um den Feststoffgehalt der PNP's zu erhöhen. Geeignete
Verfahren zum Konzentrieren der PNP's umfassen Destillationsverfahren, wie
z. B. die Bildung von Azeotropen von Wasser und einem geeigneten
Lösungsmittel;
das Verdampfen von Lösungsmittel
oder Wasser; das Trocknen der wässrigen
Zusammensetzung durch Gefriertrocknen oder Sprühtrocknen; Lösungsmittelextraktionstechniken
und Ultrafiltrationstechniken. Vorzugsweise werden mindestens 25
Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 50 Gew.-%, noch mehr bevorzugt
mindestens 75 Gew.-% und insbesondere 100 Gew.-% des Lösungsmittels
mit Wasser ausgetauscht. Die Entfernung des Lösungsmittels wird vorzugsweise
unter Bedingungen durchgeführt
welche die Destabilisierung (d. h. das Ausflocken) der PNP's minimieren.
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In
einem alternativen Verfahren wird die wässrige Zusammensetzung dieser
Erfindung durch ein Verfahren hergestelt, das die Schritte des Herstellens
einer nicht-wässrigen
PNP-Dispersion,
welche die PNP's dispergiert
in mindestens einem Lösungsmittel
enthält,
das sowohl ein geeignetes Lösungsmittel
für die
PNP's und mit Wasser
verträglich
ist oder damit gemischt werden kann, und des Vereinigens der nicht-wässrigen PNP-Dispersion
mit einem wässrigen
Medium umfasst. Beispiele für
solche geeigneten Lösungsmittel
für Acrylenthaltende
PNP's, die auch
mit Wasser verträglich
oder damit mischbar sind, umfassen Isopropanol und Etheralkohole
(z. B. Monobutylether von Ethylenglycol und Monoethylether von Diethylenglykol).
In diesem Verfahren erfordern die PNP's nicht die Zugabe von Neutralisierungsmitteln,
um dem Teilchen eine Stabilität zu
verleihen, wenn sie mit Wasser vereinigt werden.
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Alternative
Ausführungsformen
der wässrigen
Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung weisen einen breiten
Bereich des PNP-Gehalts auf. Typischerweise liegen die PNP-Gewichtsanteile im
Bereich von 0,1 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise von 1 bis 90 Gew.-%,
mehr bevorzugt von 2 bis 75 Gew.-%, mehr bevorzugt von 5 bis 50
Gew.-% und insbesondere von 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht
der wässrigen Zusammensetzung.
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Die
wässrigen
Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten gegebenenfalls
andere Polymerteilchen, die nicht PNP's sind, wie z. B. Emulsionspolymerteilchen
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von mehr als 50 nm. Die
PNP's liegen in
der wässrigen
Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 100 Gew.-% PNP's, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Polymerteilchen in der wässrigen Zusammensetzung, vor.
Die funktionelle Rolle der PNP's
legt die Menge der vorliegenden PNP's fest. Einige der funktionellen Rollen
der PNP's sind z.
B. die von Additiven, von Hilfsbindemitteln, von Hauptbindemitteln
und als einzige Bindemittel. Die Menge der eingesetzten PNP's liegt im Bereich
von einer geringeren Menge für
die erstgenannten bis zu einer größeren Menge der letztgenannten.
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In
einer Ausführungsform
werden die PNP's
mit anderen Polymerteilchen bereitgestellt, wobei die anderen Polymerteilchen
in der Gegenwart der PNP's
hergestellt werden. In solchen Ausführungsformen werden die anderen
Polymerteilchen typischerweise durch eine Emulsionspolymerisation
in der Gegenwart von PNP's hergestellt.
Ohne Bindung an eine spezielle Theorie wird davon ausgegangen, dass
die PNP's als Stabilisator der
Emulsionspolymerteilchen wirken, der potenziell den Bedarf für eine Verwendung
von herkömmlichen grenzflächenaktiven
Mitteln in dem Polymerisationsverfahren minimiert oder beseitigt.
In dieser Ausführungsform
liegen die PNP's
in der wässrigen
Zusammensetzung in einer Menge von 1 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise von
5 bis 90 Gew.-%, mehr bevorzugt von 10 bis 60 Gew.-% und insbesondere
von 20 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymers
in der wässrigen
Zusammensetzung, vor.
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In
manchen Ausführungsformen
wird die wässrige
Zusammensetzung anschließend
auf ein Substrat wie z. B. Kunststoff, einschließlich Blätter und Folien, Holz, Metall,
Leder, Gewebe bzw. textile Flächengebilde und
Vliese, Haare, Haut, Nägel,
Papier, im Vorhinein bestrichene Oberflächen, zementhaltige Substrate
und asphalthaltige Substrate, und zwar mit oder ohne vorherige Substratbehandlung,
wie z. B. mit einem Haftvermittler, aufgebracht. Die Beschichtung
auf dem Substrat wird typischerweise bei Temperaturen von 10°C bis 200°C getrocknet
oder trocknen gelassen.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung bereitgestellt,
die eine wässrige
Dispersion von ersten Teilchen, bei denen es sich um PNP's mit einem mittleren
Durchmesser von 1 bis 50 nm handelt, wobei die ersten Teilchen als
polymerisierte Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer und mindestens ein ethylenisch ungesättigtes wasserlösliches
Monomer umfassen, und eine wässrige
Dispersion von zweiten Teilchen umfasst, die einen mittleren Durchmesser von
mehr als 50 nm aufweisen. Solche wässrigen Zusammensetzungen umfassen
wässrige
Beschichtungszusammensetzungen. Solche wässrigen Zusammensetzungen stellen
verglichen mit entsprechenden wässrigen
Zusammensetzungen, in denen die PNP's durch ein gleiches Gewicht von Polymerteilchen
mit der gleichen Zusammensetzung mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm ersetzt sind, eine längere Topfzeit bereit.
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Wässrige Zusammensetzungen,
die eine wässrige
Dispersion von zweiten Teilchen enthalten, die einen mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm aufweisen, wie z. B. Anstrichmittel, Beizmittel,
Haftmittel, Überdrucklacke
und Drucktinten, trocknen verglichen mit Zusammensetzungen auf Lösungsmittelbasis,
wie z. B. Alkydanstrichmitteln, schnell. Aufgrund des schnellen
Trocknens von wässrigen
Beschichtungen steht häufig jedoch
nicht genügend
Zeit zur Verfügung,
um erneut über
die frisch aufgebrachte nasse Oberfläche zu streichen, um deren
Aussehen zu verbessern oder zusätzliche
Farbe auf die frisch aufgebrachte nasse Oberfläche aufzubringen, ohne Fehler
wie z. B. Pinselmarkierungen, einen Verlust an Glanz oder Überlappungslinien
in der fertigen, getrockneten Beschichtung zu verursachen. Der hier
verwendete Begriff "Überlappung" bezieht sich auf
einen Bereich auf einem Substrat, bei dem zusätzliche Beschichtung auf einen
Abschnitt eines vorher beschichteten, aber noch nassen angrenzenden
Substratbereichs aufgebracht wird. In dem Fall eines Anstrichmittels
ist es bevorzugt, die Kanten eines nassen, bestrichenen Bereichs
mit neu hinzugefügtem,
frischen Anstrichmittel ohne eine sichtbare Überlappung in der getrockneten
Beschichtung nahtlos zu verbinden. „Überlappen" oder „eine Überlappung bewirken" bezieht sich auf
das Vermögen,
dieses nahtlose Verbinden von Kanten ohne Zurücklassen einer sichtbaren „Überlappungs"-Linie durchzuführen. In
dem Fall von Tinten und Überdrucklacken
sind die entsprechenden Probleme ein vorzeitiges Trocknen auf der
Presse, eine erneute Abscheidung von trockenem teilchenförmigen Material
auf den Drucken und das Reinigen der Presse.
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Der
Ausdruck „Topfzeit" oder „offene
Zeit" bezieht sich
hier auf die Zeit, für
die eine Beschichtung verarbeitbar bleibt, nachdem sie auf ein Substrat
aufgebracht worden ist, um ein erneutes Bestreichen oder „Verlaufen" der neu aufgebrachten
Beschichtung an der Überlappung
zu ermöglichen,
ohne dass dies zu den vorstehend genannten Fehlern führt. Die
Topfzeit ist ein offensichtlicheres Problem in Fällen z. B. mit schimmernden
und glänzenden
Anstrichmitteln, d. h. wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen, die ferner mindestens ein Pigment
umfassen, das auf einem Niveau einer Pigmentvolumenkonzentration
(„PVC") von weniger als
35% vorliegt, da ein glänzendes
Aussehen die Oberflächenfehler
in der getrockneten Beschichtung besser sichtbar macht.
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Die
herkömmliche
Praxis zur Berücksichtigung
des schnellen Trocknens von wässrigen
Beschichtungen bestand darin, solchen Beschichtungen wesentliche
Mengen an wasserlöslichen
Lösungsmitteln,
wie z. B. 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Flüssigkeitsgewicht,
an Polyethylenglycol oder Polypropylenglycol zuzusetzen, um die
Topfzeit zu verlängern.
Diese Lösungsmittel
machen jedoch die gewünschten
Vorteile von wässrigen
Beschichtungen, wie z. B. Sicherheit, geringe Klebrigkeit, schwacher
Geruch und geringe Verschmutzung, zunichte. Die wässrigen
Dispersionen von zweiten Polymerteilchen mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm sind vorzugsweise wässrige Emulsionspolymere, typischerweise
Polymere, die durch eine Emulsionspolymerisation hergestellt worden
sind. In einigen Ausführungsformen
werden die zweiten Polymerteilchen durch ein einstufiges oder mehrstufiges
Emulsionspolymerisationsverfahren hergestellt, das zu einzelnen
Teilchen führt,
die entweder einheitlich sind oder aus zwei oder mehr Phasen mit
unterschiedlichen Geometrien zusammengesetzt sind. Solche Polymerteilchen
weisen typischerweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im
Bereich von 75000 bis mehr als 2000000, vorzugsweise im Bereich
von 90000 bis 1500000 und mehr bevorzugt im Bereich von 100000 bis
1000000 auf. Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts der zweiten
Polymerteilchen wird mittels Gelpermeationschromatographie unter
Verwendung eines Polymethylmethacrylat-Äquivalents
gemessen. Die Teilchengrößen der
zweiten Polymerteilchen weisen typischerweise durchschnittliche
Teilchendurchmesser im Bereich von mehr als 50 bis 1000 nm, vorzugsweise von
70 bis 300 nm auf. Die Teilchengrößen sind hier diejenigen, die
mit einem Brookhaven Modell BI-90-Teilchengrößenbestimmungsgerät bestimmt
worden sind, und als „effektiver
Durchmesser” angegeben.
Es sind auch Emulsionspolymere mit multimodalen Teilchengrößen vorgesehen,
bei denen zwei oder mehr unterschiedliche Teilchengrößen oder
sehr breite Verteilungen bereitgestellt werden.
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Die
zweiten Polymerteilchen sind ferner dadurch gekennzeichnet, dass
sie eine Glasübergangstemperatur
(Tg) im Bereich von –40°C bis 60°C aufweisen.
Die Tg steht hier für
die Temperatur, die durch die Fox-Gleichung berechnet wird (Bulletin
of the American Physical Society 1, 3, Seite 123 (1956)). Tg-Werte
für Homopolymere
finden sich z. B. in „Polymer
Handbook", herausgegeben
von J. Brandrup und E.H. Immergut, Interscience Publishers. Mehr
bevorzugte zweite Polymerteilchen sind diejenigen, die ohne Zugabe
eines Verlaufmittels oder eines anderen Filmbildungshilfsmittels
einen Film bei Raumtemperatur bilden können. Die Filmbildung bezieht
sich auf das Vermögen
der Polymerteilchen unter Bildung eines Films zu verlaufen, der
im Wesentlichen einheitlich ist. In Ausführungsformen, bei denen die
Teilchen eine einzelne Phase enthalten, weist das Polymer typischerweise
eine Tg im Bereich von –20°C bis 30°C auf.
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Bevorzugte
zweite Polymerteilchen umfassen Zusammensetzungen, die 70 bis 99,7
Gew.-% eines einfach ethylenisch ungesättigten Monomers, 0,3 bis 10
Gew.-% eines einfach ungesättigten
Säuremonomers und
0 bis 29 Gew.-% eines oder mehrerer einfach ethylenisch ungesättigten
funktionellen Monomers bzw. ungesättigter funktioneller Monomere
enthalten. In einigen Ausführungsformen
ist ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes Monomer einbezogen.
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In
einer Ausführungsform
bilden mindestens einige der PNP's
in Anstrichmittelformulierungen eine Barriereschicht an der Luft/Beschichtung-Grenzfläche, während sich
das Anstrichmittel im nassen Zustand befindet. In diesem Aspekt
der Erfindung ist vorgesehen, dass PNP's wie molekulare Einfachschichten wirken, um
die Verdampfung von Wasser zu steuern, wie es in Retardation of
Evaporation by Monolayers: Transport Processes, Victor K. La Met,
Academic Press, New York (1962), gelehrt wird, wobei eine Bindung
an eine bestimmte Theorie nicht erwünscht ist. Diese Barriereschicht
wirkt dahingehend, dass sie die Verdampfung von der Beschichtungsformulierung
verlangsamt, wodurch die Ereignisse verzögert werden, die eine schlechte Topfzeit
verursachen. In einer bevorzugten Art dieser Ausführungsform
sind die PNP's einzeln
in der Anstrichmittelformulierung stabil, d. h. sie adsorbieren
nicht wesentlich auf den Oberflächen
anderer Komponenten der Anstrichmittelformulierung, wie z. B. zweiten
Polymerteilchen, Pigmenten oder Füllstoffen, und aggregieren nicht,
flocken nicht aus oder koagulieren nicht untereinander zur Bildung
großer
Massen.
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In
einer anderen Ausführungsform
sind die stabilisierenden Reste, die stark an PNP's gebunden sind, hydrophil
und zeigen eine starke Anziehung zu Wasser. Unabhängig davon,
ob die Verdampfung von Wasser verlangsamt wird oder nicht, wird
diese Anziehung zu einer hydratisierten Schicht um das Bindemittel
führen, die
den Kräften
entgegenwirkt, die zur Koagulation des Bindemittels neigen, und
eine Verlängerung
der Topfzeit des Beschichtungssystems bewirken. Die Art des PNP
und der Bindemittelzusammensetzungen, die in dieser Ausführungsform
vorgesehen sind, entsprechen denjenigen der vorstehend genannten
Verwendung als Monoschicht.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung, in der eine längere
Topfzeit, wie sie vorstehend definiert worden ist, besonders bevorzugt
ist, ist ein PNP, das ein copolymerisiertes, ethylenisch ungesättigtes
funktionelles Monomer umfasst, wie es vorstehend beschrieben worden
ist, bevorzugt. Das funktionelle Monomer ist alternativ ein wasserlösliches
Monomer oder ein drittes Monomer. Das funktionelle Monomer wird
in das PNP vor, während
oder nach der freie Radikale-Polymerisation zur Bildung des PNP
eingeführt.
In Ausführungsformen,
bei denen das copolymerisierte funktionelle Monomer durch eine nachfolgende
Funktionalisierung einer Vorstufe mit einer ersten reaktiven Gruppe
mit einer modifizierenden Verbindung gebildet wird, umfasst das
PNP mindestens eine reaktive Gruppe. Mehr bevorzugt weist das PNP
eine reaktive ionisierbare Säuregruppe
auf, wie z. B. Acryl, Methacryl, Itacon, Aconit, Citracon, Croton,
Malein, Fumar, das Dimer von Acrylsäure, Vinylsulfonsäure, Acrylamid-2-methylpropansulfonsäure, Phosphonoethylmethacrylat
und Sulfonoethylmethacrylat. Die modifizierende Verbindung enthält typischerweise
mindestens eine hydrophile Gruppe, die z. B. Hydroxy, Polyoxyethylen,
Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Poly-N-vinylpyrrolidon und natürliche Polymere,
wie z. B. Stärke,
umfasst. Die modifizierende Verbindung muss auch eine zweite reaktive
Gruppe enthalten, die zu der ersten reaktiven Gruppe in dem PNP
komplementär
ist. Darüber
hinaus kann die modifizierende Verbindung mehr als eine komplementäre reaktive
Gruppe enthalten. Mit „komplementär" ist gemeint, dass
die modifizierende Verbindung und das PNP durch die reaktive Wechselwirkung
der jeweiligen reaktiven Gruppen chemisch gebunden werden.
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Eine
bevorzugte modifizierende Verbindung ist eine amphiphile Verbindung,
die ionisierbare oder Säure-Base-reaktive
Gruppen aufweist. Geeignete amphiphile Verbindungen weisen sowohl
hydrophobe als auch hydrophile Gruppen auf. Der hydrophobe Teil
der amphiphilen Verbindung muss mindestens 4 Kohlenstoffatome enthalten
und kann verzweigt, geradkettig, aromatisch, gesättigt oder ungesättigt sein.
Typische hydrophile Teile der amphiphilen Verbindung umfassen Polyoxyethylen,
Polyoxypropylen, Polyacrylamid oder Polyvinylalkohol. Das Gewichtsmittel
des Molekulargewichts, Mw, der amphiphilen Verbindung beträgt weniger
als etwa 10000. Geeignete amphiphile Verbindungen umfassen quaternäre Ammoniumsalze,
wie z. B. quaternäre
Salze von EthomeenTM 0/25, die von Akzo
Nobel Chemical Company, Chikago, IL, erhältlich sind. Dieses Salz ist ein
quaternäres
polyethoxyliertes Ammoniumsalz mit der Formel C18H35(CH3)N(CH2CH2O)xH(CH2CH2O)yH(I), wobei
x + y = 15, das ein Molekulargewicht von etwa 942 aufweist. Das
quaternäre
Salz enthält
eine positiv geladene Stickstoffgruppe, die mit einem PNP, das eine
anionische Gruppe, wie z. B. eine Carboxy latgruppe, enthält, ein
komplementäres
Paar bilden kann. TritonTM RW-150, das von
Union Carbide Company, Danbury, CT, erhältlich ist, mit der Formel
t-C12-14NH(CH2CH2O)15H ist ein polyethoxyliertes
Amin, bei dem es sich um eine andere geeignete amphiphile Verbindung
handelt. Eine bevorzugte amphiphile Verbindung ist ein tertiäres polyethoxyliertes
Amin mit der Formel C18H37N(CH2CH2O)xH(CH2CH2O)yH,
wobei x + y = 15, das ein Molekulargewicht von etwa 929 aufweist
(EthomeenTM 18/25). Die Aminbase ist die
zweite reaktive Gruppe, die mit einem PNP vereinigt und umgesetzt
wird, das eine Säure
als die erste reaktive Gruppe enthält.
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Ein
bevorzugtes kovalent gebundenes Paar von komplementär reaktiven
Gruppen ist die modifizierende Verbindung JEFFAMINETM ED-600
(von Texaco Chemical Company, Houston, TX, erhältlich), die mit einem Acetoacetatgruppe-enthaltenden
PNP umgesetzt wird. JEFFAMINETM ED-600 ist
ein Polyetherdiamin auf der Basis eines vorwiegend aus Polyethylenoxid
bestehenden Grundgerüsts.
Das Amin (JEFFAMINETM ED-600) ist die zweite
reaktive Gruppe, die mit einem PNP umgesetzt wird, das Acetoacetat
als die erste reaktive Gruppe enthält.
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Ein
stöchiometrischer Überschuss
der ersten komplementär
reaktiven Gruppe liegt vorzugsweise relativ zu der zweiten komplementären Grupppe
in dem coreaktiven Stabilisator vor. In diesem Aspekt der Erfindung
umfasst das Gewicht des coreaktiven Stabilisators, für den ein
stöchiometrisches Äquivalent
einer komplementär
reaktiven Gruppe in den PNP's
vorliegt, vorzugsweise 1 Gew.-% oder mehr, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Polymers, der PNP-Zusammensetzung. Ein stöchiometrischer Überschuss
des coreaktiven Stabilisators, der die zweite reaktive Gruppe enthält, kann
relativ zu der ersten reaktiven Gruppe vorliegen. Der coreaktive
Stabilisator, der die zweite reaktive Gruppe enthält, liegt
in der Beschichtungsformulierung in einer Menge von 0,005 bis 10
molaren Äquivalenten,
bezogen auf die kombinierten molaren Äquivalente der ersten reaktiven
Gruppe in dem PNP und (einem) anderen Polymer(n) in der Anstrichmittelformulierung
vor. Mehr bevorzugt liegt die modifizierende Verbindung in einer
Menge von 0,1 bis 1,0 molaren Äquivalenten
vor.
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Die
nachfolgende Funktionalisierung des PNP wird alternativ vor, während oder
nach dem Einbeziehen des PNP in die wässrige Zusammensetzung der
Erfindung durchgeführt.
In einer anderen Ausführungsform
wird das Einbeziehen von hydrophilen Resten, wie z. B. Stärken, Zuckern,
Hydroxyethylcellulose, anderen Cellulosematerialien, Polyvinylalkoholen,
Polyalkylenoxiden und anderen kolloidalen Stabilisatoren in das PNP
durch Pfropfen auf die PNP's
bewirkt, wenn sie während
des gesamten freie Radikale-Polymerisationsteils der PNP-Synthese
oder eines Teils davon vorliegen. Wenn sie verwendet werden, werden
diese Materialien vorzugsweise in einer Menge einbezogen, die mindestens
1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der PNP's, beträgt.
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In
einigen Ausführungsformen
wird die Wirksamkeit der PNP's
bezüglich
der Verlängerung
der Topfzeit durch die Gegenwart von hydrophoben Strukturen, die
in die PNP's einbezogen
sind, verstärkt.
Ein Weg zum Einbeziehen von hydrophoben Strukturen in die PNP's ist das Einbeziehen
von mindestens einem hydrophoben dritten Monomer in den freie Radikale-Polymerisationsteil
der PNP-Herstellung. Hydrophobe ethylenisch ungesättigte dritte
Monomere sind solche mit einer Löslichkeit
von weniger als 5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-%, insbesondere
weniger als 1 Gew.-% in Wasser bei 25°C. Diese Gruppe umfasst unter
anderem Alkyl(meth)acrylatmonomere, vinylaromatische Monomere, wie
z. B. Styrol, Fluorkohlenstoffmonomere, Silizium-funktionelle Monomere,
Vinylversatat, Vinylacetate, konjugierte Diene und dergleichen.
Dieses hydrophobe Monomer wird in einer Menge von 0 bis 90 Gew.-%,
vorzugsweise von 10 bis 80 Gew.-%, insbesondere von 20 bis 70 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der PNP's, einbezogen.
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Insbesondere
in der Ausführungsform
der Erfindung, in der eine längere
Topfzeit, wie sie hier definiert ist, erwünscht ist, werden PNP's und die zweiten
Polymerteilchen in die wässrige
Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 99,9 Gew.-% PNP's, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Polymerteilchen in der wässrigen Zusammensetzung, einbezogen.
Wenn PNP's in einer
Menge von 0,1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polymerteilchen,
einbezogen werden, weisen die PNP's typischerweise eine Tg im Bereich von –60°C bis 150°C, vorzugsweise
von 0°C
bis 150°C
und insbesondere von 35°C
bis 150°C
auf. Wenn die PNP's
in einer Menge von mehr als 30 bis 99,9 Gew.-%, bezogen auf das
Gesamtgewicht der Polymerteilchen, verwendet werden, weisen die
PNP's typischerweise
eine Tg im Bereich von –60°C bis 100°C, vorzugsweise von –20°C bis 80°C und insbesondere
von –10°C bis 50°C auf.
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PNP's erhöhen auch
die Topfzeit eines Anstrichmittels, wenn zweite Polymerteilchen
mit größer als > 50 nm in der wässrigen
Zusammensetzung verwendet werden und die PNP's in dem Reaktionsbehälter während der
Herstellung der größeren Teilchen
vorliegen, die durch eine zweite Polymerisation gebildet werden. Diese
zweite Polymerisation ist vorzugsweise eine Emulsionspolymerisation.
Ohne eine Bindung an eine spezifische Theorie wird davon ausgegangen,
dass die PNP's als
Stabilisatoren (d. h. Dispergiermittel) in Emulsionspolymerisationen
gemäß den Verfahren
wirken, von denen bekannt ist, dass sie polymere Stabilisatoren mit „hohem
Säuregehalt" nutzen (häufig als „Harz-unterstützte Emulsionspolymerisation" bezeichnet, wie
es in dem
US-Patent Nr. 4,845,149 und
dem
US-Patent Nr. 6,020,061 beschrieben
ist). Es ist bevorzugt, dass in dem Fall der Bildung einer Dispersion
größerer Polymerteilchen
durch eine zweite Polymerisation, bei der es sich vorzugsweise um
eine Emulsionspolymerisation handelt, in der Gegenwart von PNP's, die Gesamtmenge an
copolymerisiertem wasserlöslichen
Monomer in der resultierenden Polymerdispersion 0,5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise
0,75 bis 20 Gew.-%, insbesondere 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das
gesamte kombinierte Gewicht von PNP und zweitem Polymer beträgt. Die
stabilisierenden Reste umfassen jedwede Kombination von wasserlöslichem
bzw. wasserlöslichen
Monomer(en) und/oder (einer) modifizierenden Verbindung(en), die komplementäre reaktive
Gruppen enthält
bzw. enthalten, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Die stabilisierenden
Reste in verschiedenen Ausführungsformen
sind zwischen den PNP's
und dem zweiten Polymer verteilt. Die Verteilung stabilisierender
Reste kann im Bereich von 0 bis 95 Gew.-% der stabilisierenden Reste, bezogen
auf das Gesamtgewicht der stabilisierenden Reste, in dem zweiten
Polymer, und 5 bis 100% der stabilisierenden Reste, bezogen auf
das Gesamtgewicht der stabilisierenden Reste, in den PNP's liegen. Wenn die
PNP's, die während der
Bildung einer Dispersion von größeren polymeren
Teilchen durch eine zweite Polymerisation, bei der es sich vorzugsweise
um eine Emulsionspolymerisation handelt, vorliegen, eine Säurefunktionalität ent-halten,
ist es bevorzugt, dass die Säurefunktionalitäten der
PNP's mit einer
geeigneten neutralisierenden Base, wie z. B. Hydroxiden (z. B. Natriumhydroxid,
Kaliumhydroxid), Aminen und vorzugsweise Ammoniak neutralisiert
werden. Mehr bevorzugt werden solche PNP's in einem wässrig-verträglichen Lösungsmittel hergestellt, das
vor dem Durchführen
der Emulsionspolymerisation mit einer Base neutralisiert und in
Wasser verdünnt
worden ist. Noch mehr bevorzugt wird das wässrig-verträgliche Lösungsmittel mindestens teilweise
und insbesondere im Wesentlichen vollständig von der PNP-Dispersion
entfernt, wenn sie zur Stabilisierung von Emulsionspolymerisationen
verwendet wird. In bestimmten Fällen
liegen in der Dispersion auch andere Stabilisatoren wie z. B. grenzflächenaktive
Mittel, vor. Diese anderen Stabilisatoren liegen während der Bildung
des PNP und/oder während
der zweiten Polymerisation vor. Alternativ werden alle oder ein
Teil dieser anderen Stabilisatoren der Dispersion auch nach dem
Ende der zweiten Polymerisation zugesetzt.
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Von
geeigneten Emulsionspolymerzusammensetzungen kann jedwedes Emulsionspolymer,
Copolymer, mehrstufige Copolymer, Interpolymer, Kern-Schale-Polymer
und dergleichen unter Verwendung der PNP's der vorliegenden Erfindung stabilisiert
werden. Obwohl jedwedes ethylenisch ungesättigte Monomer verwendbar ist,
ist es bevorzugt, dass die Emulsionspolymere, die stabilisiert werden,
aus mindestens einem von (Meth)acrylester und vinylaromatischen
Monomeren hergestellt werden. Bei der Durchführung von Emulsionspolymerisationen,
welche die PNP's
der vorliegenden Erfindung enthalten, sind gegebenenfalls alle typischen
Emulsionspolymerisationskomponenten, -bedingungen und -verfahren
nutzbar, wie z. B. Emulgatoren, Initiatoren, Temperaturen, Kettenübertragungsmittel,
Reaktortypen und dergleichen.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung bereitgestellt,
die eine wässrige
Dispersion von mindestens einem Pigment und PNP's mit einem mittleren Durchmesser von
1 bis 50 nm umfasst, wobei die Nanoteilchen als polymerisierte Einheiten
mindestens ein mehrfach ethylenisch ungesättigtes Monomer und mindestens
ein ethylenisch ungesättigtes
wasserlösliches Monomer
umfassen. Solche wässrigen
Zusammensetzungen umfassen wässrige
Beschichtungszusammensetzungen und wässrige Pigmentdispersionen.
Wässrige
Beschichtungszusammensetzungen umfassen typischerweise ferner eine
wässrige
Dispersion von zweiten Polymerteilchen mit einem mittleren Durchmesser von
mehr als 50 nm. Solche wässrigen
Zusammensetzungen stellen eine höhere
Stabilität,
d. h. Lagerstabilität,
bei Umgebungstemperatur und höheren
Temperaturen bereit, wobei damit die Stabilität gemeint ist, wie sie sich
z. B. durch mindestens eines von Viskositätsstabilität und im Wesentlichen einem
Fehlen eines Ausflockens relativ zu entsprechenden wässrigen
Beschichtungen zeigt, in denen die PNP's durch das gleiche Gewicht an Polymerteilchen
mit der gleichen Zusammensetzung mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm ersetzt sind.
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Die
Stabilität
in einer typischen wässrigen
Zusammensetzung, die ein Pigment umfasst, ist größtenteils das Ergebnis von
komplexen chemischen und physikalischen Wechselwirkungen, die an
den Latex- und Pigmentoberflächen
stattfinden. Säure-enthaltende
PNP's stellen ein
viel wirksameres Mittel zum Dispergieren von Pigmenten und wässrige Zusammensetzungen
mit einer größeren Stabilität als die
gegenwärtige
Technologie bereit, die vorwiegend auf Lösungspolymerdispergiermittel
und anorganischen Materialien in Form kleiner Teilchen, wie z. B.
Kaliumtripolyphosphat, beruht. Ohne Bindung an eine bestimmte Theorie
wird davon ausgegangen, dass die Lösungspolymerdispergiermittel
nicht stark genug absorbieren und/oder keinen angemessenen Schutz
bieten, wenn sie auf Pigmenten adsorbiert werden. PNP's, die teilchenförmig sind,
adsorbieren stark und stellen auch einen angemessenen Oberflächenschutz
bereit, um ein Ausflocken zu verhindern. Es wurde gezeigt, dass
PNP's effektive
Dispergiermittel für
Pigmente, wie z. B. TiO2, und Mineralstreckmittel
sind. PNP's erzeugen
verglichen mit Dispergiermitteln des Standes der Technik eine verbesserte
Rheologie (d. h. im Wesentlichen eine Newton'sche Viskosität) bei einem hohen Feststoffgehalt
und einem hohen PVC-Gehalt, wobei die Verträglichkeit mit Emulsionspolymeren
und die Lagerstabilität
gut sind.
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Der
hier verwendete Begriff „Pigment" umfasst organische
und anorganische teilchenförmige,
wasserunlösliche
nicht-filmbildende Zusammensetzungen. Organische Pigmente umfassen
z. B. Phthalocyaningrün und
hohle Latexteilchen, wie sie in dem
US-Patent
Nr. 4,427,836 beschrieben sind. Anorganische Pigmente umfassen
Titandioxid, Zinkoxid, rotes Eisenoxid und dergleichen, sowie Pigmente,
die üblicherweise
als Streckmittelpigmente bekannt sind, wie z. B. Calciumcarbonat,
Siliziumdioxid und dergleichen.
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PNP's, die zur Verwendung
in Ausführungsformen
geeignet sind, bei denen eine Stabilität einer wässrigen Zusammensetzung erwünscht ist,
umfassen ein copolymerisiertes wasserlösliches Monomer, vorzugsweise
5 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das PNP-Gewicht, Säuremonomer, wie z. B. (Meth)acrylsäure, Itaconsäure, Phosphoethylmethacrylat,
Crotonsäure,
Maleinsäureanhydrid,
Sulfate, oder wasserlösliches
nichtionisches Monomer, wie z. B. Ethoxylate, bei denen die EO-Kettenlänge im Bereich
von 1 bis 100 liegt, und das durch eine Doppelbindung, wie sie z.
B. durch eine (Meth)acrylat-, Allyl-, Vinylgruppe bereitgestellt
wird, copolymerisierbar ist. PNP's
werden in dieser Ausführungsform
in einer Menge von 0,001 bis 50,0 Gew.-%, vorzugsweise von 0,005
bis 10,0 Gew.-% und insbesondere von 0,01 bis 5,0 Gew.-% PNP, bezogen
auf das Pigmentgewicht, zugesetzt.
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Pigmentvoranstrichmittel,
wie sie z. B. in der US-Patentanmeldung Nr. 2002/0013401 beschrieben sind,
die zur Verwendung bei der Herstellung von Anstrichmitteln vorgesehen
sind, zeigen eine höhere
Stabilität,
wie sie hier vorstehend definiert worden ist, wenn die PNP's der vorliegenden
Erfindung einbezogen werden. Besonders bevorzugt ist das Vermögen zur
Bereitstellung von flüssigen,
stabilen Pigmentdispersionen mit einem hohen PVC-Gehalt, wie z.
B. mehr als 70% PVC.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung bereitgestellt,
die ein Pigment, eine wässrige
Dispersion von PNP's
mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 50 nm, wobei die Teilchen
eine Aminfunktionalität
umfassen und ferner als polymerisierte Einheiten mindestens ein
mehrfach ethylenisch ungesättigtes
Monomer umfassen, ein anionisch stabilisiertes Emulsionspolymer
mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 50 nm und eine leicht
flüchtige
Base in einer Menge, die ausreichend ist, um das Amin zu deprotonieren,
umfasst. Die wässrigen
Zusammensetzungen umfassen wässrige
Beschichtungszusammensetzungen, wie z. B. schnell härtende Beschichtungen,
wie z. B. Straßenmarkierungsanstrichmittel,
Außenisolier-
und -finishsysteme (EIFS), Dachmastixmaterialien, usw. Solche wässrigen
Zusammensetzungen stellen eine stabile wässrige Zusammensetzung mit
einer kürzeren
Härtungszeit
als eine entsprechende Zusammensetzung bereit, in der die PNP's durch das gleiche
Gewicht eines wasserlöslichen Polyaminpolymers
ersetzt sind, wie es in dem
US-Patent
Nr. 5,804,627 gelehrt wird. Je größer die Menge des verwendeten
wasserlöslichen
Polyaminpolymers ist, desto schneller wird das System härten. Es gibt
jedoch Beschränkungen
dahingehend, wie viel wasserlösliches
Polymer dem Emulsionspolymer zugesetzt werden kann, bevor Stabilitätsprobleme,
wie z. B. eine Koagulation, eine Synerese, eine Feststoffgradientenbildung
und eine Sedimentation, auftreten. Eine Lösung dieses Problems besteht
darin, die Feststoffe der Zusammensetzung des Standes der Technik
zu vermindern, jedoch ist dies in der Praxis nicht geeignet, da
Personen, die Anstrichmittelformulierungen herstellen, Straßenmarkierungsanstrichmittelformulierungen benötigen, die
zu schnell härtenden
Beschichtungen führen.
PNP's, die Amingruppen
anstelle von wasserlöslichen
Polyaminpolymeren enthalten, lösen
dieses Problem.
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Bevorzugte
PNP-Zusammensetzungen umfassen als copolymerisierte Einheiten 99
Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA), 89 DMAEMA/10 Methacrylsäure, 99
Oxazolidinylethylmethacrylat (OXEMA), wobei alle Zahlenwerte in
Gew.-% bezogen auf das Gewicht der PNP's angegeben sind. Amin-funktionelle
PNP's werden alternativ
durch die folgenden Wege bereitgestellt: (1) Polymerisation von
Monomeren, die durch Hydrolyse Amine erzeugen, (2) Reaktion von
Aziridinen mit Carboxyl-enthaltenden Polymeren, (3) Reaktion von Polymeren,
die eine enolische Carbonylgruppe enthalten, wie z. B. Acetoacetylethylmethacrylat,
mit Diaminen, (4) Reaktion von Aminen mit Epoxy-enthaltenden Polymeren
und (5) Reaktion eines Amins mit Polymeren, die Vinylbenzylchlorid
enthalten.
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Die
Menge an PNP's in
der wässrigen
Zusammensetzung, die ausreichend ist, um die Härtungszeit der Beschichtung
zu vermindern, ist typischerweise eine Menge zwischen 20% und 500%,
vorzugsweise zwischen 50% und 250% und mehr bevorzugt zwischen 75%
und 150%, bezogen auf die Äquivalente
einer Aminfunktionalität
pro Äquivalente
an anionischer Ladung in der Zusammensetzung.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Zusammensetzung bereitgestellt,
die ein Pigment und eine wässrige
Dispersion von PNP's
mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 50 nm umfasst, wobei die
Teilchen als polymerisierte Einheiten mindestens ein mehrfach ethylenisch
ungesättigtes
Monomer und mindestens 2 Gew.-%, bezogen auf das Polymerteilchengewicht,
mindestens eines ionischen, ethylenisch ungesättigten Monomers umfasst. Das
Einbeziehen von mindestens 5 Gew.-%, mehr bevorzugt von mindestens
7 Gew.-%, bezogen auf das Polymerteilchengewicht, von mindestens
einem ionischen, ethylenisch ungesättigten Monomer ist bevorzugt.
Solche Zusammensetzungen zeigen eine verbesserte Gefrier/Auftau-Stabilität verglichen
mit derjenigen entsprechender wässriger
Beschichtungszusammensetzungen, in denen die PNP's durch das glei che Gewicht von Polymerteilchen
mit der gleichen Zusammensetzung mit einem mittleren Durchmesser
von mehr als 50 nm ersetzt sind.
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Es
ist bevorzugt, eine wässrige
Beschichtung und wässrige
Farbmittelzusammensetzungen bei Umgebungstemperaturen zu lagern.
Folglich gibt es einen Bedarf dafür, dass solche Zusammensetzungen
einer Zersetzung unterliegen, die insbesondere mit dem Gefrieren
und Auftauen einhergeht. Vorzugsweise sollte ein Anstrichmittel
oder Farbmittel nach mindestens einem Gefrier/Auftau-Zyklus stabil
und verwendbar bleiben. Mehr bevorzugt sollte ein Anstrichmittel
oder Farbmittel nach mindestens fünf Gefrier/Auftau-Zyklen stabil
und verwendbar bleiben. Ein Verfahren zum Messen der Gefrier/Auftau-Beständigkeit
ist in ASTM D-2243-82
beschrieben.
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Am
gebräuchlichsten
wird als Gefrier/Auftau-Additiv ein mit Wasser mischbares Lösungsmittel,
wie z. B. Ethylenglycol oder Propylenglycol, in Mengen von 1 bis
20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Phase, verwendet. Solche
Lösungsmittel
tragen jedoch zu dem Gesamtgehalt an leicht flüchtigen organischen Verbindungen
(VOC) von Beschichtungen und Farbmitteln bei; es ist mehr und mehr
erwünscht,
VOC's auf ein möglichst
niedriges Niveau zu vermindern. Alternative nicht-flüchtige Gefrier-Auftau-Additive
umfassen lösliche
Zucker, wie z. B. Cyclodextrin und Glucose, Polyole, wie z. B. Glycerin,
Polyether, wie z. B. Polyethylenglycol, Gummis, Stärken und
Proteine. Jedoch weisen auch diese bestimmte Nachteile auf. Insbesondere
sind sie alle wasserlöslich
und tragen zur Wasserempfindlichkeit einer resultierenden Beschichtung
bei. Es wurde nunmehr gefunden, dass viele der vorstehend genannten
Probleme durch Einbeziehen der PNP's der vorliegenden Erfindung in wässrige Zusammensetzungen,
wie z. B. Farbmittelzusammensetzungen, Tinten, Beschichtungen und
Anstrichmittel, gelöst
werden.
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Die
PNP's dieser Ausführungsform
enthalten mindestens 2,0 Gew.-%, bezogen auf das PNP-Gewicht, eines
copolymerisierten, ionischen ethylenisch ungesättigten Monomers. Bevorzugt
einbezogene ionische Gruppen sind Carboxylat, Sulfonat und deren
Ammonium-, Natrium-, Kalium- und Lithiumsalze. Die Zusammensetzung
des PNP enthält
vorzugsweise eine Kombination sowohl von hydrophilen nichtionischen
Gruppen, wie z. B. -OH und -CH2CH2O-, als auch von langkettigen Alkylmethacrylaten,
wie z. B. Laurylmethacrylat, Stearylmethacrylat oder Behenylmethacrylat.
Bevorzugte dritte Monomere umfassen 2-Hydroxyethylmethacrylat, 2-Hydroxypropylmethacrylat
und Polyethylenglycolmethacrylatmonomere, wie z. B. HO(CH2CH2O)3-methacrylat.
Die PNP's dieser
Ausführungsform
weisen eine Säurezahl
von 0 bis 250 (mg KOH/g PNP-Feststoffe), mehr bevorzugt von 1 bis
150 und noch mehr bevorzugt von 2 bis etwa 100, eine Aminzahl von
0 bis 150 und eine Hydroxylzahl von etwa 0 bis 250 (mg KOH/g PNP-Feststoffe)
auf.
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Typischerweise
beträgt
die Menge an PNP's,
die erforderlich ist, um ein Farbmittel oder Anstrichmittel bezüglich einer
Gefrier/Auftau-Beständigkeit
ausreichend zu stabilisieren, 0,1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1
bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Anstrichmittel- oder Farbmittelfeststoffe.
- Testverfahren, die in den Beispielen verwendet werden
- Testverfahren bezüglich
der Topfzeit bzw. offenen Zeit
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Die
Topfzeit ist als die Zeitdauer definiert, für die eine Beschichtung nass
genug bleibt, um Ausbesserungen vorzunehmen. Der Test wird bei einer
kontrollierten Temperatur von 25°C
und einer kontrollierten relativen Feuchtigkeit von 50% ohne Luftströmung über die
Karte durchgeführt.
Eine schwarze Leneta-Karte wurde an einer Aufbringplatte aus Aluminium
befestigt. Die Testbeschichtungszusammensetzung wurde in der Längsrichtung
unter Verwendung eines 5 mil (1 mil = 0,0254 mm) Aufbringblocks
aufgebracht. Eine Stoppuhr wurde sofort gestartet und 2 parallele
Linien wurden entlang der Länge
des Films mit einem Holzstab erstellt. In Zeitintervallen von 1
min wurde ein 1 Zoll-Nylonpinsel mit 1/2 Zoll bis 3/4 Zoll des Testanstrichmittels
(etwa 2 g) benetzt. Die aufgebrachte Beschichtung wurde sofort von
links nach rechts mit dem Pinsel bestrichen, wobei versucht wurde,
die Linien mit dem frischen Anstrichmittel zu bedecken; es wurden
20 Pinselbewegungen mit einer Kraft von etwa 100 g auf den Pinsel
eingesetzt. Die letzte Richtung wurde für etwa 8 min wiederholt. Für Anstrichmittel
mit längeren
Topfzeiten wurden alle Schritte wiederholt und vor dem erneuten
Beginnen des Bestreichens wurden 8 min verstreichen gelassen. Das
Testsubstrat wurde 16 bis 24 Stunden bei der kontrollierten Temperatur
und Feuchtigkeit trocknen gelassen. Die Karte wurde bezüglich Fehlern
untersucht und das späteste
Zeitintervall, bei dem die Linien, die entlang der Länge der
aufgebrachten Beschichtung erstellt worden sind, nicht mehr sichtbar
waren, wurde angegeben (Zeit, bevor sich die Markierungen erstmals
durch die Beschichtung zeigen).
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Viskositätstestverfahren
-
Die
ICI-Viskosität
wurde gemäß ASTM D3205-77
unter Verwendung eines ICI-Kegels und eines Plattenviskosimeters,
das thermostatisch so gesteuert wurde, dass es bei 25°C arbeitete,
mit einem 0 bis 10-P (0 bis 1 Pa·s) oder 0 bis 5-P-Konus eine
Scherrate von 10000 s–1 erzeugte, gemessen.
Die KU-Viskosität
wurde gemäß ASTM D562-81
(1985 erneut zugelassen) unter Verwendung eines Stormer-Viskosimeters;
Brookfield KU-1, gemessen.
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Beispiel 1. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
-
Eine
Dispersion von Methylmethacrylat (MMA)/Methacrylsäure (MAA)/Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA)
(70/20/10 Gew.-%) PNP's
wurde mittels Lösungspolymerisation
in Isopropylalkohol (IPA) wie folgt hergestellt: Ein 5 Liter-Reaktor
wurde mit einem Thermoelement, einer Temperatursteuereinrichtung,
einem Spülgaseinlass,
einem wassergekühlten
Rückflusskühler mit
Spülgasauslass,
einem Rührer
und einer Monomereinspeisungsleitung ausgestattet. Einem separaten
Behälter
wurden 450 g eines Monomergemischs (A), das 315 g MMA, 90 g MAA
und 45 g TMPTA enthielt, zugesetzt. Einem zusätzlichen Behälter wurde
ein Initiatorgemisch (B), das aus 18 g einer 75 %igen Lösung von
t-Amylperoxypivalat in Lösungsbenzin
(Triganox 125-C75) und 113 g IPA bestand, zugesetzt. Eine Beschickung
von 2330 g IPA wurde dem Reaktor zugesetzt. Nach dem Spülen des
Reaktors mit Stickstoff für
etwa 30 min wurde erwärmt,
um die Reaktorbeschickung auf 79°C
zu bringen. Als der Inhalt des Reaktors 79°C erreichte, wurde eine Doppelbeschickung
sowohl des Monomergemischs (A) als auch des Initiatorgemischs (B)
in den Reaktor durchgeführt.
Die beiden Gemische wurden mittels Einspeisungspumpen während 120
min einheitlich eingespeist. Am Ende der Monomer- und Initiatorbeschickung
wurde die Charge 30 min bei 79°C
gehalten, bevor die drei Initiatorlösungen zugesetzt wurden, die
aus 9 g einer 75 %igen Lösung
von t-Amylperoxypivalat
in Lösungsbenzin
(TRIGANOXTM 125-C75) und 22,5 g IPA bestanden.
Zusätzlicher
Initiator wurde zugesetzt. Die Beschickung wurde dann zusätzliche
2,5 Stunden bei 79°C
gehalten. Am Ende des letzten Haltens wurden die polymerisierten
MAA-Einheiten der PNP's
durch die Zugabe eines Gemischs von 42,5 g einer wässrigen
50 %igen Lösung
von NH4OH und 450 g Wasser zu der PNP-Dispersion
neutralisiert. Die neutralisierte PNP-Dispersion wurde in einen Rotationsverdampfer überführt und
bei 35°C
unter Vakuum von Lösungsmittel
befreit. Nach den Entfernen von im Wesentlichen dem gesamten Lösungsmittel
wurde die PNP-Dispersion mit Wasser weiter auf 40 Gew.-% PNP in
Wasser verdünnt.
Die gemessene Teilchengröße betrug
5,0 nm.
-
Beispiel 2. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
-
PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Acrylsäure/Allylmethacrylat
(49,5/33/7,5/10 Gew.-%)
wurden mittels Lösungspolymerisation
hergestellt: Ein 1 Liter-Reaktor wurde mit einem Thermoelement,
einer Temperatursteuereinrichtung, einem Spülgaseinlass, einem wassergekühlten Rückflusskühler mit
Spülgasauslass,
einem Rührer
und einer Monomereinspei sungsleitung ausgestattet. Einem separaten
Behälter
wurden 150 g eines Monomergemischs (A), das aus 74,3 g Butylacrylat
(BA), 49,5 g Methylmethacrylat (MMA), 11,3 g Acrylsäure (AA)
und 15,0 g Allylmethacrylat (ALMA) bestand, zugesetzt. Einem zusätzlichen
Behälter wurde
ein Initiatorgemisch (B), das aus 3,0 g einer 75 %igen Lösung von
t-Amylperoxypivalat in Lösungsbenzin (Triganox
125-C75) und 37,5 g Methylethylketon (MEK) bestand, zugesetzt. Eine
Beschickung von 528 g MEK wurde dem Reaktor zugesetzt. Nach dem
Spülen
des Reaktors mit Stickstoff für
etwa 30 min wurde erwärmt, um
die Reaktorbeschickung auf 78°C
zu bringen. Als der Inhalt des Reaktors 78°C erreichte, wurde eine Doppelbeschickung
sowohl des Monomergemischs (A) als auch des Initiatorgemischs (B)
in den Reaktor durchgeführt.
Die beiden Gemische wurden mittels Einspeisungspumpen während 120
min einheitlich eingespeist. Am Ende der Monomer- und Initiatorbeschickung
wurde die Charge 30 min bei 78°C
gehalten, bevor zusätzlicher
Initiator zugesetzt wurde. Die Beschickung wurde dann zusätzliche
2,5 Stunden bei 78°C
gehalten.
-
Dann
wurde die Beschickung mit einem Gemisch von 11,0 g einer wässrigen
50 %igen Lösung
von NH4OH und 150 g Wasser neutralisiert.
Die neutralisierte Polymerlösung
wurde in einen Rotationsverdampfer überführt und bei 45°C unter Vakuum
von Lösungsmittel
befreit. Nach dem Entfernen des gesamten Lösungsmittels wurde die Beschickung
mit Wasser weiter auf etwa 30 Gew.-% Polymer in Wasser verdünnt und
der pH-Wert wurde auf 8,0 eingestellt. Die gemessene Teilchengröße betrug
etwa 4,7 nm.
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Beispiel 3. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
-
PNP's von Methylmethacrylat/Acrylsäure/Trimethylolpropantriacrylat
(75/20/5 Gew.-%) wurden mittels Lösungspolymerisation bei 20%
Feststoffen in IPA hergestellt, wie es im Beispiel 1 beschrieben
worden ist. Die gemessene Teilchengröße betrug 2,4 nm.
-
Am
Ende des letzten Haltens wurde ein Teil der Beschickung einem 5-fachen Überschuss
an Heptan zugesetzt. Die Nanoteilchen fielen leicht aus der Heptanlösung aus,
wurden mit einem Büchner-Filter
abfiltriert und in einem Vakuumofen bei 60°C unter Vakuum getrocknet, um
alle leicht flüchtigen
Materialien zu entfernen. 100 g getrockneten PNP's wurden 300 g Wasser und 20,5 g einer
50 %igen wässrigen
NH4OH-Lösung zugesetzt.
Das Gemisch wurde 1 Stunde gerührt,
um eine klare homogene Lösung
zu erreichen. Die gemessene Teilchengröße betrug 2,3 nm.
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Beispiel 4. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
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Gemäß dem Verfahren
von Beispiel 3 wurden am Ende des letzten Haltens 100 g der PNP-Dispersion mit 4,4
g einer 50 %igen wässrigen
NaOH-Lösung
neutralisiert. Die neutralisierte PNP-Dispersion wurde einem 5-fachen Überschuss
an Heptan zugesetzt, um die PNP's
auszufällen.
Die ausgefallenen PNP's
wurden mittels Filtration isoliert und in einem Vakuumofen bei etwa
60°C bis
zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die getrockneten PNP's wurden dann wieder
in Wasser dispergiert, um eine Lösung
mit 30% Feststoffen bereitzustellen. Die Teilchengröße betrug
2,4 nm.
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Beispiel 5. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
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PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Acrylsäure/Trimethylolpropantriacrylat
(35/35/20/10 Gew.-%) wurden mittels Lösungspolymerisation hergestellt:
Ein 5 Liter-Reaktor wurde mit einem Thermoelement, einer Temperatursteuereinrichtung,
einem Spülgaseinlass,
einem wassergekühlten
Rückflusskühler mit Spülgasauslass,
einem Rührer
und einer Monomereinspeisungsleitung ausgestattet. Einem separaten
Behälter
wurden 480 g eines Monomergemischs (A), das aus 168,0 g Butylacrylat
(BA), 168,0 g Methylmethacrylat (MMA), 96,0 g Acrylsäure (AA),
48,0 g Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA) und 19,2 g einer 75 %igen
Lösung von
t-Amylperoxypivalat in Lösungsbenzin
(Triganox 125-C75) und 120,0 g Isopropanol (IPrOH) bestand, zugesetzt.
Eine Beschickung von 2480,0 g IPrOH wurde dem Reaktor zugesetzt.
Nach dem Spülen
des Reaktors mit Stickstoff für
etwa 30 min wurde erwärmt,
um die Reaktorbeschickung auf 79°C
zu bringen. Als der Inhalt des Reaktors 79°C erreichte, wurde dem Reaktor
eine Einspeisung des Monomergemischs mittels Einspeisungspumpen
einheitlich während
120 min zugesetzt. Am Ende der Monomerbeschickung wurde die Charge 30
min bei 79°C
gehalten, bevor zusätzlicher
Initiator zugesetzt wurde. Die Beschickung wurde dann zusätzliche
2,5 Stunden bei 79°C
gehalten. Am Ende des letzten Haltens wurde die Beschickung mit
einem Gemisch von 80,9 g einer 28 %igen wässrigen Lösung von NH4OH,
die in 480,0 g Wasser verdünnt
war, neutralisiert. Die neutralisierte Polymerlösung wurde in einen Rotationsverdampfer überführt und
bei 65°C
unter Vakuum von Lösungsmittel
befreit. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels wurde die Beschickung
mit zusätzlichem Wasser
weiter auf 34,7% Polymer in Wasser verdünnt und der pH-Endwert wurde
auf 9,0 eingestellt. Die gemessene Teilchengröße betrug 4,0 nm.
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Beispiel 6. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP
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PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Acrylsäure/Acetoacetoxyethylmethacrylat/Trimethylolpropantriacrylat
(30/30/20/10/10 Gew.-%) wurden mittels Lösungspolymerisation mit dem
im Beispiel 5 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme,
dass die Beschi ckung nach der Entfernung des Lösungsmittels mit zusätzlichem
Wasser weiter auf 49,5% Polymer in Wasser verdünnt wurde und der pH-Endwert
auf 9,0 eingestellt wurde. Die gemessene Teilchengröße betrug
4,0 nm.
-
Beispiel 7. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von nachfolgend funktionalisierten PNP's
-
PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Acrylsäure/Acetoacetoxyethylmethacrylat/Trimethylolpropantriacrylat
(30/30/20/10/10 Gew.-%) werden mittels Lösungspolymerisation mit dem
im Beispiel 5 beschriebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme,
dass dem Reaktor nach dem letzten 2,5-stündigen Halten 67,2 g JEFFAMINETM ED-600 zugesetzt werden und der Reaktorinhalt
1 Stunde vor der Zugabe eines Gemischs von 80,9 g einer 28 %igen
wässrigen
Lösung
von NH4OH, die in 480,0 g Wasser verdünnt worden
ist, gemischt wird.
-
Beispiel 8. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
-
PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Acrylsäure/BISOMERTM S10W/Trimethylolpropantriacrylat (30/30/10/20/10
Gew.-%) werden durch das Verfahren von Beispiel 5 hergestellt. (Bisomer
ist eine Marke von British Petroleum Company plc und wird von INSPEC
UK unter Lizenz verwendet. Bisomer-Monomere werden von INSPEC UK
geliefert.)
-
Beispiel 9. Herstellung eines Emulsionspolymers,
das in der Gegenwart von PNP's
hergestellt wird
-
Ein
2 Liter-Reaktor wurde mit einem Thermoelement, einer Temperatursteuereinrichtung,
einem Spülgaseinlass,
einem wassergekühlten
Rückflusskühler mit
Spülgasauslass,
einem Rührer,
einer Monomereinspeisungsleitung und einer Katalysatoreinspeisungsleitung
ausgestattet. Einem separaten Behälter wurden 310,8 g eines Monomergemischs
(A), das aus 155,4 g Butylacrylat (BA) und 155,4 g Methylmethacrylat
(MMA) bestand, zugesetzt. Eine Beschickung von 157,3 g entionisiertem
Wasser und 298,5 g der im Beispiel 5 beschriebenen PNP's wurde dem Reaktor
zugesetzt. Nach dem Spülen
des Reaktors mit Stickstoff für
30 min wurde erwärmt.
Als der Reaktorinhalt 85°C
erreichte, wurden 6,8 g Monomer des Gemischs A dem Reaktor zusammen
mit 0,33 g Ammoniumpersulfat (APS), das in 3,0 g Wasser gelöst war,
zugesetzt. Nach 15 min wurden dem Reaktor zusätzlich 1,0 g APS, das in 17,8
g Wasser gelöst
war, und 0,1 g 28 %iges Ammoniak zugesetzt. Der Rest des Monomergemischs
A wurde dann dem Reaktor während
140 min durch die Monomereinspeisungsleitung mit Einspeisungspumpen
einheitlich zugesetzt. Nach 60 min der Monomereinspeisung wurde eine
separate Einspeisung, die aus 1,2 g APS, das in 29,9 g Wasser gelöst war,
und 0,12 g 28 %igem Ammoniak bestand, durch eine Katalysatoreinspeisungsleitung
mit einer Katalysatoreinspeisungspumpe einheitlich eingespeist.
Nach dem Ende der Einspeisung wurde der Reaktor auf 87°C erwärmt und
60 min gehalten, dann auf Raumtemperatur gekühlt und durch US-Standardsiebe
100 und 325 mesh filtriert. Das resultierende Emulsionspolymer wies
die folgenden Eigenschaften auf: 50,5 Gew.-% Feststoffe, pH 8,1,
Brookfield-Viskosität 2150
cps, Teilchengröße 134 nm.
-
Beispiel 10. Herstellung eines Emulsionspolymers
in der Gegenwart von PNP's
-
Ein
2 Liter-Reaktor wurde mit einem Thermoelement, einer Temperatursteuereinrichtung,
einem Spülgaseinlass,
einem wassergekühlten
Rückflusskühler mit
Spülgasauslass,
einem Rührer,
einer Monomereinspeisungsleitung und einer Katalysatoreinspeisungsleitung
ausgestattet. Einem separaten Behälter wurden 310,8 g eines Monomergemischs
(A), das aus 155,4 g Butylacrylat (BA) und 155,4 g Methylmethacrylat
(MMA) bestand, zugesetzt. Eine Beschickung von 246,6 g entionisiertem
Wasser und 209,3 g der im Beispiel 6 beschriebenen PNP's wurde dem Reaktor
zugesetzt. Nach dem Spülen
des Reaktors mit Stickstoff für
etwa 30 min wurde der Reaktor erwärmt. Als der Reaktorinhalt
85°C erreichte,
wurden 6,8 g Monomer des Gemischs A dem Reaktor zusammen mit 0,33
g Ammoniumpersulfat (APS), das in 3,0 g Wasser gelöst war,
zugesetzt. Nach 15 min wurden dem Reaktor zusätzlich 1,0 g APS, das in 17,8
g Wasser gelöst
war, und 0,1 g 28 %iges Ammoniak zugesetzt. Der Rest des Monomergemischs
A wurde dann dem Reaktor während
140 min durch die Monomereinspeisungsleitung mit Einspeisungspumpen
einheitlich zugesetzt. Nach 60 min der Monomereinspeisung wurde
eine separate Einspeisung von 1,2 g APS, die in 29,9 g Wasser gelöst waren,
und 0,12 g 28 %igem Ammoniak bestand, durch eine Katalysatoreinspeisungsleitung
mit einer Katalysatoreinspeisungspumpe eingespeist. Nach 105 min
der Monomereinspeisung A wurden dem Reaktor 25 g Wasser zugesetzt. Nach
130 min der Monomereinspeisung A wurden dem Reaktor weitere 25 g
Wasser zugesetzt. Nach dem Ende der Katalysatoreinspeisung wurde
der Reaktor auf 87°C
erwärmt
und 60 min gehalten, dann auf Raumtemperatur gekühlt und durch US-Standardsiebe
100 und 325 mesh filtriert. Das resultierende Emulsionspolymer wies
die folgenden Eigenschaften auf: 47,8 Gew.-% Feststoffe, pH 8,1,
Brookfield-Viskosität
7000 cps, Teilchengröße 131 nm.
-
Beispiele 11 und 12. Herstellung von wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen, die PNP umfassen
-
Dieses
Beispiel zeigt die Bildung einer wässrigen Beschichtungszusammensetzung
aus den in der Gegenwart der PNP's
der Beispiele 9 und 10 hergestellten Emulsionspolymeren.
| Material | Beispiel
11 | Beispiel
12 |
| Mahlansatz: | | |
| Wasser | 50,0 | 50,0 |
| TAMOLTM 731A | 11,4 | 11,4 |
| Tego
FoamexTM 810 | 1,0 | 1,0 |
| SURFYNOLTM CT-111 | 2,0 | 2,0 |
| TI-PURETM R-706 | 228,4 | 228,4 |
| Auflacken: | | |
| Emulsion
von Beispiel 9 | 281
(Feststoffe) | |
| Emulsion
von Beispiel 10 | | 281
(Feststoffe) |
| Wasser | 406 | 406 |
| TEXANOLTM | 16,7 | 16,7 |
| SURFYNOLTM CT-111 | 1,0 | 1,0 |
| ACRYSOLTM RM-2020 NPR | 24 | 24 |
| ACRYSOLTM RM-8W | 21 | 21 |
-
TAMOL
und ACRYSOL sind Marken von Rohm and Haas Company, Philadelphia,
PA; FOAMEX ist eine Marke von Degussa-Huls Corp., Ridgefield Park,
NJ; SURFINOL ist eine Marke von Air Products and Chemicals Inc.,
Allentown, PA; TI-PURE ist eine Marke von Du-Pont Company, Wilmington, DE; TEXANOL
ist eine Marke von Eastman Chemical Company, Kingsport, TN.
-
Vergleichsbeispiel A. Herstellung von
wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen
-
Wässrige Beschichtungszusammensetzungen
wurden unter Verwendung eines anionischen Emulsionspolymers mit
einem mittleren Teilchendurchmesser von 100 nm in dem gleichen Gewichtsanteil
wie bei den Beispielen 11 und 12 hergestellt.
| Material | Vergleichsbeispiel
A |
| Mahlansatz: | |
| Wasser | 50,0 |
| TAMOLTM 731A | 11,4 |
| Tego
FoamexTM 810 | 1,0 |
| SURFYNOLTM CT-111 | 2,0 |
| TI-PURETM R-706 | 228,4 |
| Auflacken: | |
| Emulsionspolymer | 280
(Feststoffe) |
| Wasser | 416 |
| TEXANOLTM | 19,4 |
| SURFYNOLTM CT-111 | 1,0 |
| ACRYSOLTM RM-2020 NPR | 29 |
| ACRYSOLTM RM-8W | 6 |
-
Beispiel 13. Eigenschaften von wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen
-
Tabelle 13.1
| Beschichtung
von Beispiel Nr. | Viskosität zu Beginn KU/ICI | Viskosität nach 24
Stunden KU/ICI | Topfzeit
(in min) |
| 12 | 97/1,15 | 100/1,2 | 3 |
| 11 | 98/1,3 | 96/1,2 | 5 |
| Vergleichsbsp.
A | 99/1,2 | 99/1,2 | < 1 |
-
Wässrige Beschichtungszusammensetzungen,
die PNP's der Beispiele
11 und 12 dieser Erfindung umfassten, zeigten eine Topfzeit, die
besser war als diejenige von Vergleichsbeispiel A.
-
Beispiele 14 und 15. Herstellung einer
wässrigen
Zusammensetzung, die PNP's
und ein anionisches Emulsionsbindemittel umfasst
-
| Material |
Beispiel
14 |
Beispiel
15 |
| Mahlansatz: |
(in
g) |
(in
g) |
| Wasser |
50,0 |
50,0 |
| TAMOLTM 731A |
11,4 |
11,4 |
| Tego
Foamex 810 |
1,0 |
1,0 |
| SURFYNOLTM CT-111 |
2,0 |
2,0 |
| TI-PURETM R-706 |
228,4 |
228,4 |
| Auflacken: |
|
|
| Anionisches
Emulsionspolymer |
259
(Feststoffe) |
259
(Feststoffe) |
| (mittlerer
Durchmesser 100 nm) |
|
|
| PNP's von Beispiel 5 |
21
(Feststoffe) |
|
| PNP's von Beispiel 5 |
|
21
(Feststoffe) |
| Wasser |
416 |
416 |
| TEXANOLTM |
19,4 |
19,4 |
| SURFYNOLTM CT-111 |
1,0 |
1,0 |
| ACRYSOLTM RM-2020 NPR |
29 |
29 |
| ACRYSOLTM RM-8W |
6 |
6 |
-
Beispiele 16 bis 21. Herstellung und Bewertung
von wässrigen
Zusammensetzungen
-
Wässrige Beschichtungszusammensetzungen,
die PNP's und ein
anionisches Emulsionspolymer umfassen, werden gemäß den Tabellen
16.1 und 16.2 hergestellt und bewertet. Tabelle 16.1 Wässrige Beschichtungszusammensetzungen
| Material | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 |
| Mahlansatz: | | | | | | |
| Wasser | 50,0 | 50,0 | 50,0 | 50,0 | 50,0 | 50,0 |
| TAMOLTM 731A | 11,4 | 11,4 | | | | |
| PNP's von Beispiel 5 | | | 3,7
(Feststoffe) | | 3,7
(Feststoffe) | |
| PNP's von Beispiel 6 | | | | 5,5
(Feststoffe) | | 5,5
(Feststoffe) |
| Tego
FOAMEXTM 810 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| SURFINOLTM CT-111 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| TI-PURETM R-706 | 228,4 | 228,4 | 228,4 | 228,4 | 228,4 | 228,4 |
| Auflacken: | | | | | | |
| Anionisches
Emulsionspolymer (100 nm) | 259
(Feststoffe) | 259
(Feststoffe) | 280
(Feststoffe) | 280
(Feststoffe) | 259
(Feststoffe) | 259
(Feststoffe) |
| PNP's von Beispiel 5 | 21
(Feststoffe) | | | | 21
(Feststoffe) | |
| PNP's von Beispiel 6 | | 21
(Feststoffe) | | | | 21
(Feststoffe) |
| Wasser | 416 | 416 | 416 | 416 | 416 | 416 |
| TEXANOLTM | 19,4 | 19,4 | 19,4 | 19,4 | 19,4 | 19,4 |
| SURFYNOLTM CT-111 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| ACRYSOLTM RM-2020 NPR | 29 | 29 | 29 | 29 | 29 | 29 |
| ACRYSOLTM RM-8W | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
Tabelle 16.2 Eigenschaften wässriger
Beschichtungszusammensetzungen
| Beschichtung
Beispiel Nr. | Beschreibung | Viskosität zu Beginn KU/ICI | Viskosität nach 24
Stunden KU/ICI |
| Vgl.-Bsp.
A | Vergleich | 99/1,2 | 99/1,2 |
| 16 | Gemisch | 100/1,2 | 102/1,2 |
| 17 | Gemisch | 101/1,15 | 104/1,2 |
| 18 | Dispersion | 99/1,2 | 98/1,2 |
| 19 | Dispersion | 101/1,2 | 99/1,2 |
| 20 | Gemisch
+ Dispersion | 104/1,1 | 105/1,1 |
| 21 | Gemisch
+ Dispersion | 99/1,2 | 101/1,2 |
-
Die
wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen der Beispiele 16 bis 21 dieser Erfindung
zeigen verglichen mit derjenigen von Vergleichsbeispiel A eine gute
Stabilität
und eine längere
Topfzeit.
-
Beispiele 22 bis 26. Herstellung und Bewertung
von wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen
-
Wässrige Beschichtungszusammensetzungen
werden mit Ausnahme der verwendeten PNP's, die in der Tabelle 22.1 angegeben
sind, wie in den Beispielen 14 und 15 hergestellt. Tabelle 22.1 Wässrige Beschichtungszusammensetzungen
| Beschichtung
Beispiel Nr. | PNP-Mischvehikel |
| 22 | Beispiel
1 |
| 23 | Beispiel
2 |
| 24 | Beispiel
3 |
| 25 | Beispiel
4 |
| 26 | Beispiel
7 |
-
Die
wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen der Beispiele 22 bis 26 dieser Erfindung
zeigen verglichen mit derjenigen von Vergleichsbeispiel A eine gute
Stabilität
und eine längere
Topfzeit.
-
Beispiele 27 bis 37: Herstellung von Emulsionspolymeren
in der Gegenwart von PNP's
-
Die
in der folgenden Tabelle angegebenen PNP's werden hergestellt und in Emulsionspolymerisationen
gemäß Beispiel
9 verwendet. Die Verwendung von PNP's mit verschiedenen Zusammensetzungen
führt zu
Latices mit unterschiedlichen Teilchengrößen und Variationen bezüglich der
verbesserten Eigenschaften, die sie zeigen. Die resultierenden Emulsionspolymere
werden zur Herstellung von wässrigen
Beschichtungszusammensetzungen verwendet. Tabelle 27.1 Zusammensetzungen von PNP's
| Beispiel | Zusammensetzung | Teilchengröße (nm) |
| 27 | 70
MMA/20 MAA/10 TMPTA | 10 |
| 28 | 80
MMA/10 AA/10 TMPTA | 10 |
| 29 | 75
MMA/20 AA/5 ALMA | 8 |
| 30 | 35
MMA/35 BA/20 AA/10 TMPTA | 8 |
| 31 | 30
MMA/30 BA/30 AA/10 TMPTA | 10 |
| 32 | 60
BA/30 AA/10 TMPTA | 10 |
| 33 | 20
MMA/40 2-EHA/30 AA/10 TMPTA | 10 |
| 34 | 30
Sty/30 MMA/20 AA/10 TMPTA/10 AAEM | 10 |
| 35 | 70
MMA/20 PEM/10 TMPTA | 15 |
| 36 | 20
BA/60 AA/20 TMPTA | 15 |
| 37 | 80
AA/20 TMPTA | 20 |
-
Beispiel 38. Herstellung und Bewertung
von wässrigen
Zusammensetzungen
-
Ein
weißes
halbglänzendes
Latexanstrichmittel wird mit einem Feststoffvolumen (VS) von 35%,
20% Pigmentvolumenkonzentration (PVC) TiO2 plus
1% PVC Zinkoxid formuliert. Das Emulsionspolymer ist RHOPLEXTM AC-264 und das Verdickungsmittel ist eine
Kombination aus CELLOSIZETM QP-3300 und
ACRYSOLTM RM-2020NPR zu einer Viskosität von 92
Krebseinheiten. (CELLOSIZE ist eine Marke von Hercules Inc., Wilmington,
DE.)
-
Zusätzliche
Bestandteile, wie z. B. Entschäumer,
Biozide, Mehltaumittel, Topfzeit-Lösungsmittel, grenzflächenaktive
Mittel, Verlaufmittel, Färbehilfsmittel,
Wasser, usw., werden gemäß dem Verständnis des Fachmanns
verwendet. In einer Version dieser Zusammensetzung wird das Pigment
mit 3% TAMOLTM 165A, bezogen auf die gesamten
Pigmentfeststoffe, dispergiert. Das Anstrichmittel wird 24 Stunden äquilibriert.
Eine Probe des Anstrichmittels wird mit einem 3 mil-Bird-Applikator
auf einer Testkarte verteilt und 24 Stunden bei 25°C und 50%
relativer Feuchtigkeit getrocknet. Der Glanz wird bei 60°C gemessen
und beträgt
28%. Das Anstrichmittel wird 30 Tage bei 50°C gelagert, auf Raumtemperatur äquilibrieren
gelassen und eine weitere Probe wird auf eine Testkarte gegossen.
Der Glanz beträgt
16%. In einer anderen Version dieser Zusammensetzung wird das Pigment
stattdessen mit 3% PNP dispergiert. Es wird gefunden, dass der Glanz
nunmehr 46% beträgt.
Nach dem Wärmealterungstest
wird gefunden, dass der Glanz 42% beträgt. Der höhere Glanz und die verbesserte
Glanzstabilität
nach dem Wärmealtern
zeigen ein vermindertes Ausflocken und eine verbesserte Anstrichmittelstabilität.
-
Beispiel 39. Herstellung einer wässrigen
Dispersion von PNP's
-
PNP's von Butylacrylat/Methylmethacrylat/Phosphoethylmethacrylat/Acrylsäure/Trimethylolpropantriacrylat
(36/14/20/20/10 Gew.-%) wurden mittels Lösungspolymerisation hergestellt:
Ein 5 Liter-Reaktor wurde mit einem Thermoelement, einer Temperatursteuereinrichtung,
einem Spülgaseinlass,
einem wassergekühlten Rückflusskühler mit
Spülgasauslass,
einem Rührer
und einer Monomereinspeisungsleitung ausgestattet. Einem separaten
Behälter
wurden 480 g eines Monomergemischs (A), das aus 172,80 g Butylacrylat
(BA), 67,2 g Methylmethacrylat (MMA), 96,0 g Phosphoethylmethacrylat
(PEM), 96,0 g Acrylsäure
(AA), 48,0 g Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA) und 19,2 g einer
75 %igen Lösung
von t-Amylperoxypivalat
in Lösungsbenzin
und 120,0 g IPA bestand, zugesetzt. Eine Beschickung von 2462,0
g IPA wurde dem Reaktor zugesetzt. Nach dem Spülen des Reaktors mit Stickstoff
für 30
min wurde erwärmt,
um die Reaktorbeschickung auf 79°C
zu bringen. Als der Inhalt des Reaktors 79°C erreichte, wurde dem Reaktor
eine Einspeisung des Monomergemischs mittels Einspeisungspumpen
einheitlich während
120 min zugesetzt. Am Ende der Monomereinspeisung wurde die Charge
30 min bei 79°C
gehalten, bevor zusätzlicher
Initiator zugesetzt wurde. Die Beschickung wurde dann zusätzliche
2,5 Stunden bei 79°C
gehalten. Am Ende des letzten Haltens wurde die Beschickung mit
einem Gemisch von 80,9 g einer 28 %igen wässrigen Lösung von NH4OH,
die in 261,4 g Wasser verdünnt
war, neutrali siert. Die neutralisierte Polymerlösung wurde in einen Rotationsverdampfer überführt und
bei 65°C
unter vollem Hausvakuum von Lösungsmittel
befreit. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels wurde die Beschickung
mit zusätzlichem
Wasser weiter auf 19,8% Polymer in Wasser verdünnt. Nach dem Rotationsverdampfen
betrug der pH-Endwert 7,2. Die gemessene Teilchengröße betrug
2,2 nm.
-
Beispiel 40. Verbesserte Stabilität einer
wässrigen
Beschichtung mit PNP
-
Ein
stabiles Anstrichmittel auf Wasserbasis wurde unter Verwendung des
PNP von Beispiel 39, neutralisiert mit NH
4,
als Dispergiermittel in der in der Tabelle 40.1 angegebenen Formulierung
hergestellt. Die Eigenschaften der Zusammensetzung sind in der Tabelle
40.2 angegeben. Tabelle
40.1 Wässrige
Beschichtungszusammensetzung
| Mahlansatz: | |
| Wasser | 95,9
Gramm |
| Propylenglykol | 30,0 |
| PNP
von Beispiel 38 | 19,3 |
| TERGITOLTM NP-40 | 4,0 |
| COLLOIDTM 643 | 1,5 |
| OPTIWHITETM | 50,0 |
| OMYACARBTM 5 | 60,0 |
| MISTRONTM 353 | 70,0 |
| TI-PURETM R-902 | 200,0 |
| Auflacken: | |
| RHOPLEXTM RES-3083 | 260,9 |
| RHOPLEXTM SG-10M | 130,0 |
| TEXANOLTM | 20,8 |
| COLLOIDTM 643 | 1,5 |
| Ammoniak
(28%) | 3,2 |
| ACRYSOLTM DR-73 (15%) | 39,5 |
| Wasser | 136,8 |
-
TERGITOL
ist eine Marke von Union Carbide Corporation, Danbury, CT, COLLOID
ist eine Marke von Rhodia, Inc., Carnbury, NJ, OPTIWHITE ist eine
Marke von Burgess Pigment Co., Macon, GA, OMYACARB ist eine Marke
von Omya Inc., Alpharetta, GA, MISTRON ist eine Marke von Luzenac
North America, Denver, CO. Tabelle
39.2 Eigenschaften der wässrigen
Beschichtungszusammensetzung
| Weiße ungefärbte Beschichtung | |
| Äquilibrierte
KU-Viskosität | 104 |
| KU
nach der Wärmealterung(1) | 111 |
| Äquilibrierte
Brookfield(2) | 8400
cPs |
| Brookfield
nach der Wärmealterung | 9100
cPs |
| | |
| Stabilität der Deckkraft(3) | |
| Äquilibriert | 0,973 |
| Nach
1 Woche RT-Alterung | 0,966 |
| Nach
der Wärmealterung | 0,970 |
| | |
| 60
Grad-Glanzstabilität(4) | |
| Äquilibriert | 5,4 |
| Nach
1 Woche RT-Alterung | 5,2 |
| Nach
der Wärmealterung | 5,5 |
| | |
| Färbungseigenschaften: | |
| Farbverschiebung
Y-Reflexionsvermögen(5) | |
| Blau äquilibriert | 41,6 |
| Blau
nach 1 Woche RT-Alterung | 41,4 |
| Blau
nach der Wärmealterung | 41,2 |
| | |
| Schwarz äquilibriert | 30,2 |
| Schwarz
nach 1 Woche RT-Alterung | 30,2 |
| Schwarz
nach der Wärmealterung | 30,2 |
| | |
| Rot äquilibriert | 29,7 |
| Rot
nach 1 Woche RT-Alterung | 29,6 |
| Rot
nach der Wärmealterung | 29,6 |
| | |
| Abreiben
(Delta E)(6) | |
| Blau | 0,58 |
| Schwarz | 0,50 |
| Rot | 0,41 |
| | |
| 60
Grad-Glanzstabilität | |
| Blau äquilibriert | 3,8 |
| Blau
nach 1 Woche RT-Alterung | 3,8 |
| Blau
nach der Wärmealterung | 4,3 |
| | |
| Schwarz äquilibriert | 3,9 |
| Schwarz
nach 1 Woche RT-Alterung | 3,8 |
| Schwarz
nach der Wärmealterung | 4,3 |
| | |
| Rot äquilibriert | 3,9 |
| Rot
nach 1 Woche RT-Alterung | 3,7 |
| Rot
nach der Wärmealterung | 4,1 |
-
Anmerkungen:
-
- (1) Alle Wärmealterungsmessungen
wurden nach dem Wärmealtern
für 10
Tage bei 60°C,
gefolgt von der Entfernung aus dem Ofen und einer Äquilibrierung
auf Raumtemperaturbedingungen und ein Handscheren des Anstrichmittels
zu einer einheitlichen Konsistenz durchgeführt.
- (2) Alle Brookfield-Messungen wurden mit einem Brookfield DV-1+-Viskosimeter
bei 6 U/min mit einer #4-Spindel durchgeführt.
- (3) Die Deckkraft wurde mit einer 3 mil-Aufbringung auf einer
Schwarz-Weiß-Kombinationskarte
von Leneta gemessen. Die Deckkraft ist der Anteil eines schwarzen
Substrats, der durch das Anstrichmittel bedeckt ist, und zwar auf
der Basis des Y-Reflexionsvermögens des
Anstrichmittels über
einem schwarzen Bereich der Aufbringkarte dividiert durch das Y-Reflexionsvermögens des
Anstrichmittels über
einem weißen
Bereich der Aufbringkarte. Aufbringungen wurden für das äquilibrierte
Anstrichmittel, das Anstrichmittel nach dem Altern bei Raumtemperatur
auf der Werkbank für
1 Woche und nach dem Altern im Ofen für 10 Tage hergestellt.
- (4) Der 60 Grad-Glanz wurde mit einer 3 mil-Nassaufbringung
auf einer weißen
Leneta-Karte gemessen.
- (5) Das Y-Reflexionsvermögen
wurde mit einem Colorgard 45 Grad/0 Grad-Reflexionsmessgerät gemessen. Anstrichmittel
wurden mit 4 Unzen Färbemittel/Gallone
Anstrichmittel unter Verwendung von Colortrend 888-Farbmitteln,
einschließlich
Phthalo Blau, Lampenruß und
rotem Eisenoxid, gefärbt.
- (6) Das Abreiben wurde mit dem folgenden Verfahren bestimmt:
Eine 2 mil-Nassaufbringung wurde auf einer Leneta WB-Karte mit einem
drahtumwickelten Aufbringstab erstellt. Das An strichmittel wurde
16 Stunden bei Raumtemperatur trocknen gelassen. Ein #14-Kautschukstopfen
mit einer 3 mil-Schicht aus glattem Tischtenniskautschuk auf der
unteren Fläche,
wobei der Tischtenniskautschuk mit einem Vinyl-Einmalhandschuh bedeckt
war, der über
die Kautschukoberfläche
gezogen und an den Seiten des Stopfens mit Heftzwecken befestigt
war, wurde für
den nächsten
Teil des Tests verwendet. Eine zweite Anstrichmittelbeschichtung
wurde auf der ersten, nun trockenen Beschichtung aufgebracht und
mit der Stopfenvorrichtung abgerieben, wobei das Vinyl mit dem nassen
Anstrichmittel in Kontakt war. 25 Reibzyklen wurden unter Verwendung
einer kräftigen
Kreisbewegung angewandt. Die Karten wurden über Nacht getrocknet. Die delta
E-Werte wurden mit einem Hunter Ultrascan XE-Kolorimeter unter Verwendung
einer 10 Grad-Untersuchungseinheit, einer D65-Lichtquelle und L*,a*,b*-Farbkoordinaten
erhalten. Es sollte beachtet werden, dass delta E ein Maß für die Änderung
der Farbe zwischen den geriebenen und den nicht-geriebenen Bereichen
der Aufbringung ist. Ein delta E von weniger als 1 wird als ziemlich
gut bewertet, was bedeutet, dass die Farbe innerhalb des Anstrichmittels
gut aufgenommen wird und nur eine geringe oder keine Ausfällung vorliegt.
-
Die
wässrige
Beschichtungszusammensetzung von Beispiel 40 der Erfindung wurde
auf der Basis der in der Tabelle 40.2 gezeigten Ergebnisse als stabil
beurteilt. Insbesondere änderten
sich die KU- und die Brookfield-Viskosität nicht signifikant, wenn die
Ergebnisse der Äquilibrierung
mit den Ergebnissen der Wärmealterung
verglichen wurden. Darüber
hinaus zeigten andere Eigenschaften des weißen Anstrichmittels keinerlei
Instabilitäten,
wobei sich diese Beurteilung aus einer fehlenden Änderung
des Deckvermögens
und des Glanzes als Funktion der Zeit und der Wärmealterung ergab. Ferner blieben
auch die Färbeeigenschaften
als Funktion der Zeit und der Wärmealterung
stabil, wie es sich aus einer fehlenden Verschiebung sowohl des Y-Reflexionsvermögens als
auch der 60 Grad-Glanzwerte als Funktion der Zeit und der Wärmealterung
ergab. Schließlich
zeigten die gefärbten
Anstrichmittel keinerlei Anzeichen eines signifikanten Abriebproblems.
Wenn Instabilitäten
vorliegen würden,
wird davon ausgegangen, dass mindestens eine und gegebenenfalls
mehrere dieser Eigenschaften ein Problem anzeigen würden. Da
alle Eigenschaften gut sind, schließen wir daraus, dass diese
Formulierung zu einem stabilen Anstrichmittel führte.
-
Beispiel 41. Herstellung einer wässrigen
PNP-Dispersion, die Amingruppen enthält
-
Eine
wässrige
Dispersion von Oxazolidinylethylmethacrylat/Methacrylsäu-re/Trimethylolpropantriacrylat
(80/10/10 Gew.-%) PNP's
wird gemäß dem Verfahren
von Beispiel 1 hergestellt.
-
Beispiel 42. Herstellung eines mittels
Polyamin und anionisch stabilisierten Emulsionspolymers für Vergleichszwecke
-
Polyamin-Lösungspolymer für Vergleichszwecke
-
Einem
2 Liter-Reaktor, der 600 g entionisiertes Wasser (DI-Wasser) unter
einer Stickstoffatmosphäre bei
60°C enthält, werden
2,8 g einer wässrigen
Lösung
von Eisen(II)sulfatheptahydrat (0,15 Gew.-%), 16,2 g Eisessig und
0,8 g einer wässrigen
Lösung
des Tetranatriumsalzes von Ethylendiamintetraessigsäure (1 Gew.-%),
die mit 10 g DI-Wasser verdünnt
worden ist, unter Rühren
zugesetzt. Eine Beschickung, die aus 200 g 2-(3-Oxazolidinyl)ethylmethacrylat und 100
g DI-Wasser zusammengesetzt ist, wird während eines Zeitraums von 2
Stunden zugesetzt. Gleichzeitig werden Beschickungen, die aus 2
g t-Butylhydroperoxid
(70% aktiv), das in 23 g DI-Wasser gelöst ist, und 2 g Natriumsulfoxylatformaldehyd-dihydrat,
das in 23 g DI-Wasser gelöst
ist, während
eines Zeitraums von 2 Stunden zugesetzt. Nach dem Ende der Beschickungen
wird die Reaktion 30 min bei 60°C
gehalten und dann werden 0,16 g t-Butylhydroperoxid (70% aktiv),
das in 10 g DI-Wasser gelöst
ist, zugesetzt. 15 min später
werden 0,1 g t-Butylhydroperoxid (70% aktiv), das in 10 g DI-Wasser gelöst ist,
und 0,06 g Natriumsulfoxylatformaldehyd-dihydrat, das in 10 g DI-Wasser
gelöst
ist, zugesetzt. 15 min später
wird die Reaktion auf Raumtemperatur gekühlt. Das fertige Reaktionsgemisch
weist nach der Zugabe von Ammoniumhydroxid einen pH-Wert von etwa
8, einen Feststoffgehalt von etwa 20% und eine Brookfield-Viskosität von < 500 cps auf.
-
Synthese eines anionischen
Emulsionspolymers
-
3583
g DI-Wasser unter einer Stickstoffatmosphäre bei 90°C werden 67,9 g Natriumlaurylsulfat
(28% aktiv), 547 g eines Monomergemischs (Tabelle 41.1), 33 g Natriumcarbonat,
das in 196 g DI-Wasser gelöst
ist, und 24 g Natriumpersulfat, das in 98 g DI-Wasser gelöst ist,
zugesetzt, um ein Reaktionsgemisch zu bilden, dem das folgende Monomergemisch
während
3 Stunden bei 81°C
zusammen mit einer Lösung
von 9,7 g Natriumpersulfat, das in 440 g DI-Wasser gelöst ist, zugesetzt wird. Tabelle 42.1
| Komponenten
des Monomergemischs | Gewicht
der Komponenten in Gramm (g) |
| DI-Wasser | 3959 |
| Natriumlaurylsulfat
(28% aktiv) | 67,9 |
| Butylacrylat | 4332 |
| Methylmethacrylat | 5054 |
| Methacrylsäure | 124 |
-
Am
Ende der Polymerisation werden 0,06 g FeSO4 in
40 g DI-Wasser, 7,8 g t-Butylhydroperoxid
in 88 g DI-Wasser und 2,9 g Natriumsulfoxylatformaldehyd in 176
g DI-Wasser zugesetzt.
Ammoniumhydroxid wird zugesetzt, so dass ein pH-Endwert = 10,3 erhalten
wird, worauf 26 g einer 37 %igen Formaldehydlösung zugesetzt werden. Das
resultierende Latexpolymer weist einen Feststoffgehalt von 51,7%
und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 172 nm auf.
-
Beispiel 43. Gemisch von Latex mit PNP
und Polyamin für
Vergleichszwecke
-
Das
Emulsionspolymer von Beispiel 41 wird mit dem PNP von Beispiel 1
und alternativ mit dem Polyamin für Vergleichszwecke von Beispiel
41 in den in der Tabelle 2 angegebenen Mengen gemischt. Die Gemische
werden 10 Tage bei 60°C
einer Wärmealterung
unterzogen. Wenn eine Probe eine Synerese zeigt, besteht sie den
Stabilitätstest
nicht. Tabelle 43.1 Bewertung der Stabilität
| Beispiel | PNP
von Beispiel 40 (% Feststoffe bezogen auf die Feststoffe des Emulsionspolymers) | Polyamin
von Beispiel 41 (% Feststoffe bezogen auf die Feststoffe des Emulsionspolymers) | Ergebnisse
des Stabilitätstests |
| Vgl.
B | - | 0,5 | Stabil,
keine Synerese |
| Vgl.
C | - | 1,5 | 0,5
cm Synerese |
| Vgl.
D | - | 1,8 | 1,0
cm Synerese |
| 43-1 | 0,5 | - | Stabil,
keine Synerese |
| 43-2 | 1,5 | - | Stabil,
keine Synerese |
| 43-3 | 1,8 | - | Stabil,
keine Synerese |
-
Wässrige Zusammensetzungen
der Erfindung 43-1, -2, -3, die PNP enthalten, zeigen eine bessere Stabilität über den
Bereich der Aminzugabe bezogen auf diejenige des Polyamins für Vergleichszwecke.
-
Beispiel 44. Herstellung von wässrigen
Straßenmarkierungszusammensetzungen
-
Die
Latexgemischbeispiele Vgl. D und 43-3 werden gemäß den folgenden Formulierungen
zu Straßenmarkierungszusammensetzungen
formuliert. Die Bestandteile werden in der in der Tabelle 44.1 angegebenen
Reihenfolge unter Verwendung eines Labormischers bei niedriger Scherung
zugesetzt. Nach der Zugabe von OMYACARB
TM 5
wird das Rühren
vor der Zugabe der restlichen Bestandteile für 15 min fortgesetzt. Tabelle 44.1 Wässrige Beschichtungszusammensetzungen
(alle Mengen sind in Gramm angegeben)
| Beschichtung
Nr. | 44-1 | 44-2 |
| Zusammensetzung
43-3 | 627,7 | - |
| Zusammensetzung
Vgl. D | - | 627,7 |
| | | |
| TAMOL® 901 | 9,8 | 9,8 |
| SURFYNOLTM CT-136 | 3,8 | 3,8 |
| DREWPLUSTM L-493 | 2,7 | 2,7 |
| TIPURETM R-900 | 136 | 136 |
| OMYACARBTM-5 | 1035 | 1035 |
| Methanol | 40,8 | 40,8 |
| TEXANOLTM | 31,9 | 31,9 |
| Wasser | 25,8 | 25,8 |
| DREWPLUSTM L-493 | 4,8 | 4,8 |
DREWPLUS ist eine Marke von Ashland Chemical Co.,
Columbus, OH Tabelle 44.2 Ergebnisse des Tests der
wässrigen
Beschichtungszusammensetzung
| | 44-1 | 44-2 |
| Stabilität des Anstrichmittels* | gut | schlecht |
| Trocknungszeit | hervorragend | hervorragend |
- * Die Stabilität des Anstrichmittels wird
nach dem Erwarmen für
10 Tage bei 140°F
gemessen. Wenn die KU-Viskosität
um mehr als 10 Einheiten zugenommen hat, ist die Stabilität des Anstrichmittels
schlecht.
-
Die
wässrige
Beschichtungszusammensetzung 44-1 der Erfindung, die PNP's enthält, stellt
eine bessere Ausgewogenheit von Eigenschaften der wässrigen
Beschichtung bereit als diejenigen der Vergleichszusammensetzung
44-2
-
Beispiel 45. Gefrier/Auftau-Stabilität einer
wässrigen
Beschichtungszusammensetzung
-
Ein
halbglänzendes
Latexanstrichmittel wird hergestellt. Die Pigmentierung ist TI-PURETM R-706
und RHOPLEXTM Ultra, das Verdickungsmittel
ist ACRYSOLTM RM-2020NPR und das Koaleszenzmittel
ist 9 Gew.-% TEXANOLTM, bezogen auf die
Polymerfeststoffe. Das Volumen der Feststoffe (VS) beträgt 33,9%
und die Pigmentvolumenkonzentration (PVC) beträgt 25,8%. Es wird gefunden,
dass das Anstrichmittel bei einem Gefrier/Auftau-Zyklus versagt
und nach dem Auftauen von einem Zyklus des Einfrierens koaguliert
und unbrauchbar wird.
-
Es
wird gefunden, dass die Zugabe von PNP's, die aus 70 Gew.-% MMA, 20 Gew.-%
AA und 10 Gew.-% TMPTA bestehen, in einer Menge von 3 Gew.-% PNP,
bezogen auf das Gewicht der Anstrichmittelfeststoffe, die Gefrier/Auftau-Stabilität des Anstrichmittels
so verbes sert, dass es 5 Zyklen des Gefrierens und Auftauens ohne
signifikante Änderung
der Viskosität
oder des Glanzniveaus gegossener Filme des Anstrichmittels übersteht.