WO2000055234A1 - Lagerstabile epoxidharzzusammensetzungen - Google Patents

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WO2000055234A1
WO2000055234A1 PCT/EP2000/001956 EP0001956W WO0055234A1 WO 2000055234 A1 WO2000055234 A1 WO 2000055234A1 EP 0001956 W EP0001956 W EP 0001956W WO 0055234 A1 WO0055234 A1 WO 0055234A1
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WO
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epoxy resin
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epoxy
microgel
composition according
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PCT/EP2000/001956
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Qian Tang
Gunnar Reitmajer
Martin Roth
Martin Spitzer
Philip David Willis
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Huntsman Advanced Materials Switzerland GmbH
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Vantico GmbH
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    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins

Definitions

  • the present invention relates to compositions comprising an epoxy resin and a polyol as hardener for the epoxy resin and a microgel-amine salt or microgel-imidazole salt as accelerator, and to crosslinked products obtainable by curing these compositions.
  • Nitrogen-containing bases are well known to those skilled in the art as hardeners or hardening accelerators for epoxy resins.
  • such systems have only a limited storage stability, since these bases react with epoxides even at a relatively low temperature, sometimes even at room temperature, which manifests itself in an increase in the viscosity of the epoxy resin formulation and leads to gelation of the mixture when stored for a long time.
  • the storage stability of the epoxy resin mixture is reduced and the service life (pot life) is shortened.
  • such systems are formulated as two-component systems, i.e. Epoxy resin and nitrogenous base are stored separately and only mixed shortly before processing.
  • EP-A-304503 master batches of encapsulated materials and epoxides are described as latent hardeners for epoxy resins, the core material being a powdered tertiary amine, which is surrounded by a shell from the reaction product of the same amine with an epoxy resin.
  • Such latent hardeners or accelerators based on encapsulated particles are suitable for the production of storage-stable one-component systems, but have the Disadvantage of insufficient stability against mechanical influences, such as shear forces and pressure loads.
  • BCISS complexes also have a good latency, but smoke formation occurs at temperatures above 160 ° C., so that their use in casting resins based on epoxy resin is prohibited because the mold temperatures are at or above this temperature.
  • EP-A 0 816 393 describes latent epoxy curing systems (based on anhydride hardeners in combination with salts of microgels containing COOH groups and nitrogen bases) with improved pot life, which have a high stability against mechanical stress in the form of shear forces and lead in addition to hardened moldings with high glass transition temperature and high thermal resistance. However, the latency of these systems can still be improved, especially at elevated temperatures.
  • EP-A 0 633 286 describes curable epoxy curing systems for the production of moldings with high-gloss surfaces, comprising an epoxy resin, a curing agent and, as fillers, wollastonite and a quartz kaolinite mixture. However, the latency of these systems can also be improved.
  • the object of the present invention was to provide epoxy curing systems with good storage stability, good reactivity under curing conditions, with good and at the same time diverse processing options even at elevated temperatures and finally with good properties of the cured materials.
  • compositions comprising an epoxy resin and a polyol as hardener for the epoxy resin and a solid microgel-amine salt or solid microgel-imidazole salt as accelerators have the desired profile of properties.
  • the present invention thus relates to a composition
  • compositions according to the invention are the epoxy resins customary in epoxy resin technology. Examples of epoxy resins are:
  • polyglycidyl and poly ( ⁇ -methylglycidyl) esters obtainable by reacting a compound with at least two carboxyl groups in the molecule and epichlorohydrin or ⁇ -methylepichlorohydrin. The reaction is conveniently carried out in the presence of bases.
  • Aliphatic polycarboxylic acids can be used as a compound with at least two carboxyl groups in the molecule.
  • examples of such polycarboxylic acids are oxalic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid or dimerized or trimerized linoleic acid.
  • cycloaliphatic polycarboxylic acids can also be used, such as, for example, tetrahydrophthalic acid, 4-methyltetrahydrophthalic acid, hexahydrophthalic acid or 4-methylhexahydrophthalic acid.
  • Aromatic polycarboxylic acids such as phthalic acid, isophthalic acid or terephthalic acid can also be used.
  • Polyglycidyl or poly ( ⁇ -methylglycidyl) ether obtainable by reacting a compound with at least two free alcoholic hydroxyl groups and / or phenolic hydroxyl groups with epichlorohydrin or ß-methylepichlorohydrin under alkaline conditions or in the presence of an acidic catalyst with subsequent alkali treatment.
  • the glycidyl ethers of this type are derived, for example, from acyclic alcohols, e.g. of ethylene glycol, diethylene glycol or higher poly (oxyethylene) glycols, propane-1, 2-diol or poly- (oxypropylene) -glycols, propane-1, 3-diol, butane-1, 4-diol, poly- (oxytetramethylene ) - glycols, pentane-1, 5-diol, hexane-1, 6-diol, hexane-2,4,6-triol, glycerol, 1 J J-trimethylol propane, pentaerythritol, sorbitol, and of polyepichlorohydrins.
  • acyclic alcohols e.g. of ethylene glycol, diethylene glycol or higher poly (oxyethylene) glycols, propane-1, 2-diol or poly- (oxypropylene) -glycols
  • glycidyl ethers of this type are derived from cycloaliphatic alcohols, such as 1,4-cyclohexanedimethanol, bis (4-hydroxycyclohexyl) methane or 2,2-bis (4-hydroxycyclohexyl) propane, or from alcohols which are aromatic Contain groups and / or other functional groups, such as N, N-bis (2-hydroxyethyl) aniline or p, p'-bis (2-hydroxyethylamino) diphenylmethane.
  • cycloaliphatic alcohols such as 1,4-cyclohexanedimethanol, bis (4-hydroxycyclohexyl) methane or 2,2-bis (4-hydroxycyclohexyl) propane, or from alcohols which are aromatic Contain groups and / or other functional groups, such as N, N-bis (2-hydroxyethyl) aniline or p, p'-bis (2-hydroxyethylamino) diphenylmethane.
  • the glycidyl ethers can also be used on mononuclear phenols, such as, for example, resorcinol or hydroquinone, or on multinuclear phenols, such as, for example, bis- (4-hydroxyphenyl) methane, 4,4'-dihydroxybiphenyl, bis- (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1, 1, 2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane or 2,2-bis (3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl) propane, based.
  • mononuclear phenols such as, for example, resorcinol or hydroquinone
  • multinuclear phenols such as, for example, bis- (4-hydroxyphenyl) methane, 4,4'-dihydroxybiphenyl, bis- (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1, 1, 2,2-tetrakis (4-hydroxyphen
  • Suitable hydroxy compounds for the production of glycidyl ethers are novolaks, obtainable by condensation of aldehydes, such as formaldehyde, acetaldehyde, chloral or furfuraldehyde, with phenols or bisphenols which are unsubstituted or substituted with chlorine atoms or d-Cg-alkyl groups, such as phenol, 4- Chlorophenol, 2-methylphenol or 4-tert-butylphenol.
  • aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, chloral or furfuraldehyde
  • phenols or bisphenols which are unsubstituted or substituted with chlorine atoms or d-Cg-alkyl groups, such as phenol, 4- Chlorophenol, 2-methylphenol or 4-tert-butylphenol.
  • Poly (N-glycidyl) compounds obtainable by dehydrochlorination of the reaction products of epichlorohydrin with amines which contain at least two amine hydrogen atoms.
  • amines are, for example, aniline, n-butylamine, bis (4-aminophenyl) methane, m-xylylenediamine or bis (4-methylaminophenyl) methane.
  • poly (N-glycidyl) compounds also include triglycidyl isocyanurate, N, N'-diglycidyl derivatives of cycloalkylene ureas, such as ethylene urea or 1,3-propylene urea, and diglycidyl derivatives of hydantoins, such as of 5,5-dimethylhydantoin .
  • Poly (S-glycidyl) compounds for example di-S-glycidyl derivatives, which are derived from dithiols, such as, for example, ethane-1, 2-dithiol or bis (4-mercaptomethylphenyl) ether.
  • Cycloaliphatic epoxy resins such as, for example, bis (2,3-epoxycyclopentyl) ether, 2,3-epoxycyclopentylglycidyl ether, 1,2-bis (2,3-epoxycyclopentyloxy) ethane or 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ', 4'-epoxycyclohexane carboxylate.
  • epoxy resins can also be used in which the 1,2-epoxy groups are bonded to different heteroatoms or functional groups; these compounds include, for example, the N, N, O-triglycidyl derivative of 4-aminophenol, the glycidyl ether glycidyl esters of salicylic acid, N-glycidyl-N '- (2-glycidyloxypropyl) -5,5-dimethylhydantoin or 2-glycidyloxy- 1,3-bis (5,5-dimethyl-1-glycidylhydantoin-3-yl) propane.
  • solid polyglycidyl ethers and ester compounds with melting points above room temperature up to about 250 ° C.
  • the melting points of the solid compounds are preferably in the range from 50 to 150.degree. Such solid compounds are known and some are commercially available.
  • the solid polyglycidyl ethers and esters which can be used are the advancement products obtained by pre-extending liquid polyglycidyl ethers and esters.
  • An aromatic epoxy resin that is to say an epoxy compound which has one or more aromatic rings in the molecule, is preferably used to produce the epoxy resin compositions according to the invention.
  • an epoxy novolak resin particularly preferably an epoxyphenol or an epoxy cresol novolak resin
  • Mixtures of epoxy resins can also be used.
  • Aliphatic or aromatic polyols are used as epoxy resin curing agents (b) for the epoxy resin compositions according to the invention.
  • Suitable aliphatic polyols are ethylene glycol, diethylene glycol and higher poly (oxyethylene) glycols, propane-1,2-diol or poly- (oxypropylene) glycols, propane-1,3-diol, butane-1,4-diol , Poly (oxytetramethylene) glycols, pentane-1, 5-diol, hexane-1, 6-diol, hexane-2,4,6-triol, glycerin, 1JJ-trimethylolpropane, pentaerythritol or sorbitol.
  • Suitable aromatic polyols are, for example, mononuclear phenols, such as resorcinol, hydroquinone, N, N-bis (2-hydroxyethyl) aniline, or polynuclear phenols, such as p, p'-bis (2-hydroxyethylamino) diphenylmethane, bis- (4-hydroxyphenyl) methane, 4,4'-dihydroxybiphenyl, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1, 1, 2,2'-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl) propane and novolaks, obtainable by condensation of aldehydes, such as formaldehyde, acetaldehyde, chloral or furfuraldehyde, with phenols, such as phenol , or with phenols which are substituted in the core with chlorine
  • hardener mixtures in which other customary epoxy resin hardeners than the above-mentioned main hardeners are used as co-hardeners, such as, for example, anhydride hardeners.
  • the ratio of hardener (b) to epoxy resin (a) can be varied within a wide range and depends on the content of epoxy groups in (a) and hydroxyl groups in (b) and the desired properties of the curable composition and the cured product. In general, about 0.7 to 1.3 moles of OH groups are used per mole of epoxy groups, preferably 0.9 to 1.1 moles. However, it is also possible to use smaller amounts of OH groups, if appropriate with addition of others Common epoxy resin hardeners as the above polyols.
  • a solid reaction product of a microgel containing carboxylic acid groups and a nitrogenous base serves as component (c) of the present invention. More details on the production of such a reaction product, possible compositions, preferences, etc. are the subject of the aforementioned EP-A 0 816 393 and are, as far as relevant for the present subject matter of the invention, taken from this publication below:
  • Microgels are generally understood to mean macromolecules whose chain segments are cross-linked in the area of the individual balls via covalent bridges. Microgels can be made by various known polymerization methods. Emulsion polymerization of compounds with polymerizable CC double bonds in the presence of so-called multifunctional crosslinking agents is advantageous, for example using the seeding method (seeding technique).
  • the microgel particles are in the form of an aqueous emulsion or suspension after the polymerization. The further reaction with the nitrogen-containing base can preferably take place with such an emulsion / suspension.
  • microgel first in the form of a solid powder, for example by means of spray drying or freeze drying, or to convert the aqueous emulsion into an organic phase by solvent exchange.
  • all compounds which contain at least two polymerizable CC double bonds can be used as polyfunctional crosslinkers. This creates intramolecularly cross-linked copolymers, which generally have particle sizes in the nanometer range (approx. 5-1000 nm).
  • a preferred microgel for the preparation of the reaction product is a copolymer of at least one unsaturated carboxylic acid and at least one multifunctional crosslinker.
  • a particularly preferred microgel is a copolymer of at least one unsaturated carboxylic acid, at least one vinyl monomer free of carboxylic acid groups and at least one multifunctional crosslinking agent.
  • Preferred unsaturated carboxylic acids are acrylic acid, methacrylic acid, 2-carboxyethyl acrylate, 2-carboxyethyl methacrylate, phthalic acid mono (2-acryloylethyl) ester, phthalic acid mono (2-methacryloylethyl) ester, maleic acid, maleic acid monomethyl ester, maleic acid monoethyl ester, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumaric acid, fumarate acid, 4-vinylcyclohexane carboxylic acid, 4-vinylphenylacetic acid and p-vinylbenzoic
  • Acrylic acid and methacrylic acid are particularly preferred.
  • all compounds which contain at least two polymerizable C-C double bonds are suitable as multifunctional crosslinkers.
  • a polyfunctional acrylic acid ester or methacrylic acid ester of an aliphatic, cycloaliphatic or aromatic polyol, an addition product of acrylic acid or methacrylic acid and a polyglycidyl compound, an addition product of Acrylic acid or methacrylic acid and glycidyl acrylate or methacrylate, an alkenyl acrylate or alkenyl methacrylate, a dialkenylcyclohexane or a dialkenylbenzene are used as multifunctional crosslinking agents.
  • Particularly preferred polyfunctional crosslinkers are Ethylengiykoldiacrylat, propane trimethacrylate ethylene glycol dimethacrylate, propylene glycol diacrylate, propylene glycol dimethacrylate, 1, 4-butanediol diacrylate, 1, 4-butanediol dimethacrylate, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polypropylene glycol diacrylate, polypropylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate JJ 1, 1 JJ -Trimethylol-, bisphenol-A diglycidyl ether , Bisphenol-A diglycidyl ether dimethacrylate, allyl acrylate, allyl methacrylate, divinylcyclohexane and divinylbenzene.
  • the monomer mixture used to prepare the microgels can contain one or more vinyl monomers free of carboxylic acid groups, such as, for example, butadiene and butadiene derivatives, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylic acid esters and amides, methacrylic acid esters and amides, vinyl ethers and esters, allyl ethers and esters, styrene and styrene derivatives.
  • carboxylic acid groups such as, for example, butadiene and butadiene derivatives, acrylonitrile, methacrylonitrile, acrylic acid esters and amides, methacrylic acid esters and amides, vinyl ethers and esters, allyl ethers and esters, styrene and styrene derivatives.
  • Preferred vinyl monomers free of carboxylic acid groups are alkyl esters, hydroxyalkyl esters and glycidyl esters of unsaturated carboxylic acids and styrene derivatives.
  • Particularly preferred vinyl monomers free of carboxylic acid groups are methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, butyl acrylate, butyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-ethylhexyl methacrylate and styrene.
  • the reaction product is preferably produced from a microgel which is a copolymer of 2 to 70% by weight of at least one unsaturated carboxylic acid, 0 to 96% by weight of at least one vinyl monomer free of carboxylic acid groups and 2 to 70% by weight of at least one multifunctional crosslinking agent, the sum of the percentages by weight always being 100.
  • Particularly preferred microgels are copolymers of 5 to 50% by weight, in particular 10 to 40% by weight, of at least one unsaturated carboxylic acid, 0 to 90% by weight, in particular 30 to 85% by weight, of at least one vinyl monomer free of carboxylic acid groups and 5 to 50% by weight, in particular 5 to 30% by weight, of at least one multifunctional crosslinking agent.
  • reaction products are referred to in the following for simplicity as “microgel-amine salts", the term “amine” in this context quite generally meaning “nitrogen-containing bases” and not restricted to the meaning of the term “amine” in the more strict sense.
  • Suitable basic bases containing nitrogen for the production of the reaction products are in principle all basic compounds which contain at least one basic nitrogen atom. Examples include aliphatic, cycloaliphatic and aromatic amines as well as saturated and unsaturated N-heterocycles.
  • Primary, secondary and tertiary amines can be used; it is also possible to use compounds with several basic nitrogen atoms. Examples of these are imidazoles, polyamines, such as triethylenetetramine or isophoronediamine, polyaminoamides, such as the reaction products of aliphatic polyamines and dimerized or trimerized fatty acids, but also polyoxyalkylene amines, such as, for. B. Jeffamine ® (Fa. Texaco).
  • An amine, a polyamine or an imidazole is preferably used.
  • Particularly preferred bases containing nitrogen are the amines and imidazoles of the formulas I, II or III
  • R 4 R 5 NA-NR 6 R 7 (II) wherein R 1 to R 7 independently of one another are hydrogen, CC 12 alkyl, unsubstituted or substituted phenyl, benzyl, phenylethyl, cyclopentyl or cyclohexyl, or R 2 and R 3 or R 4 and R 5 or R 6 and R 7 together are tetramethylene, pentamethylene , Represent (CH 2 ) 2 -O- (CH 2 ) 2 - or - (CH 2 ) 2 -NH- (CH 2 ) 2 -, A represents CrC 30 alkanediyl,
  • R 8 to Rn independently of one another are hydrogen, Crd ⁇ -alkyl, phenyl or benzyl or R 8 and R 9 or R 8 and Rn or R 10 and Rn together are tetramethylene, pentamethylene, - (CH 2 ) 2 -O- (CH 2 ) 2 - or - (CH 2 ) 2 -NH- (CH 2 ) 2 - represent.
  • amines of the formula I are trimethylamine, triethylamine, phenyldimethylamine, diphenylmethylamine, triphenylamine, benzylamine, N, N-dimethylbenzylamine, pyrrolidine, N-methylpyrrolidine, N-methylpiperidine and N-phenylpiperidine.
  • Suitable diamines of the formula II are, for example, 1,2-diaminoethane and N, N, N ', N'-tetramethyl-1,2-diaminoethane.
  • imidazoles of the formula III are imidazole, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 2-phenylimidazole, 2-isopropylimidazole, 2-dodecylimidazole, 2-heptadecylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole.
  • 2-phenylimidazole, 2-isopropylimidazole, 2-dodecylimidazole, 2-heptadecylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole are very particularly preferred nitrogen-containing bases.
  • the reaction of the nitrogenous base with the microgel containing carboxylic acid groups is preferably carried out in solution.
  • Preferred solvents are water and mixtures of water with water-miscible solvents, such as methanol, ethanol, isopropanol or acetone.
  • the emulsion or suspension obtained in the production of the microgel by emulsion polymerization can be used directly.
  • the reaction temperatures are advantageously 0 to 200 ° C, preferably 10 to 100 ° C.
  • the quantitative ratio of the starting products can vary widely.
  • amounts of microgel and nitrogen-containing base containing carboxylic acid groups are expediently used such that the COOH groups are present in equimolar amounts or in excess in relation to basic nitrogen atoms.
  • the number of basic nitrogen atoms, based on the number of COOH groups in the microgel is preferably 5 to 100 mol%, particularly preferably 30 to 100 mol% and particularly preferably 60 to 95 mol%.
  • the microgel-amine salt can be isolated as a solid powder by spray drying or lyophilization. However, it is also possible to coagulate the emulsion / suspension using known methods (addition of electrolyte, freezing out) and to isolate the precipitated product by filtration as a solid substance, which can optionally be converted into the desired particle size by further pulverization. The product can also be obtained by evaporating the emulsion to dryness and converting the residue into the desired form using known methods.
  • the microgel-amine salts are used exclusively in solid form.
  • the microgel-amine salts (c) are suitable as hardeners or in particular as hardening accelerators for epoxy resins (a).
  • the quantitative ratio of components (a) and (c) can vary within wide ranges in the compositions according to the invention. The optimal ratio is depending on the amine type and amine content of the microgel-amine salt and on the desired reactivity of the composition and can easily be determined by a person skilled in the art.
  • the weight ratio of components (a) to (c) is advantageously from 1 to 2 to 2000 to 1, preferably from 1 to 1 to 1000 to 1, and particularly preferably from 2 to 1 to 1000 to 1, if (c) as an accelerator is used.
  • compositions according to the invention can optionally contain further known accelerators, such as, for example, imidazoles or benzyldimethylamine.
  • the curable mixtures can contain tougheners, such as, for example, core / shell polymers or the elastomers or graft polymers containing those known to the person skilled in the art as "rubber tougers". Suitable tougheners are described, for example, in EP-A-449 776.
  • compositions are preferred which, in addition to components (a), (b) and (c) already described, also contain filler (d).
  • Another object of the present invention is therefore also to contain curable compositions
  • Suitable fillers (d) for the curable mixtures are all known mineral and organic types, such as, for example, metal powder, wood powder, carbon black, glass fibers, glass powder, glass balls, Kevlar; Semimetal and metal oxides, such as SiO 2 (aerosils, quartz, quartz powder, quartz powder, aluminum oxide, titanium dioxide and zirconium oxide; metal hydroxides, such as Mg (OH) 2 , AI (OH) 3 and AIO (OH); semimetal and metal nitrides, such as silicon nitride, boron nitride and aluminum nitride; semimetal and metal carbides (SiC and boron carbides); metal carbonates (dolomite, chalk, CaCO 3 ); metal sulfates (barite, gypsum); zinc sulfide; rock flour, such as hydromagnesite and huntite, and natural or synthetic minerals mainly from the silicate series, such as, for example, zeolites (in particular molecular
  • the above Fillers also with additives, especially adhesion promoters, coated variants are used.
  • Silanes and acrylates are preferably used for surface treatment.
  • a particularly preferred variant is silanization using the silane Silquest® A-187 containing epoxy groups (gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane from Osi Specialties).
  • Preferred fillers for the compositions according to the invention are wollastonite and / or a mixture of quartz and kaolinite.
  • Wollastonite is a naturally occurring calcium silicate of the formula Ca3 [S.3 ⁇ g] with a needle-like shape, just like the artificially produced wollastonite.
  • Wollastonite is commercially available, for example under the name Nyad® from Nico.
  • Kaolinite a major component of kaolin, is commercially available as microcrystalline aluminum silicate. Quartz / kaolinite mixtures with an average particle size of less than 50 ⁇ m, preferably less than 5 ⁇ m, and a weight ratio of quartz to kaolinite of 5 to 95 to 95 to 5, preferably 20 to 80 to 80 to 20, are preferably used in the compositions according to the invention and in amounts of 1 to 80% by weight, preferably 25 to 40% by weight, based on the total composition consisting of components (a), (b), (c) and (d).
  • fillers can vary widely depending on the application and are 1 to 80% by weight, based on the total mixture of components (a), (b), (c) and (d).
  • the curable mixtures may contain other conventional additives, such as Solvents, reactive thinners, antioxidants, light stabilizers, plasticizers, dyes, pigments, thixotropy agents, toughness improvers, defoamers, antistatic agents, adhesion, release, hydrophobization, lubricants and mold release agents.
  • Solvents reactive thinners, antioxidants, light stabilizers, plasticizers, dyes, pigments, thixotropy agents, toughness improvers, defoamers, antistatic agents, adhesion, release, hydrophobization, lubricants and mold release agents.
  • compositions according to the invention can be prepared by known methods with the aid of known mixing units, such as, for example, stirrers, kneaders, rollers or dry mixers.
  • mixing units such as, for example, stirrers, kneaders, rollers or dry mixers.
  • the dispersion can also take place in the melt.
  • the temperature during the dispersion should be chosen so that no premature curing occurs during the mixing process.
  • the optimal curing conditions depend on the microgel, on the type and amount of the nitrogenous base, on the epoxy resin and on the form of dispersion and can in any case be determined by the person skilled in the art using known methods.
  • Component (c) which is in the form of a solid, is removed using known methods, such as, for example, by simple stirring or by stirring with the aid of glass balls Epoxy resin (a) or dispersed in a solution of the epoxy resin (a). It is convenient to work below the temperature at which the reaction of the microgel-amine salt with the epoxy resin begins. Is preferably carried out at temperatures below 60 ° C.
  • Component (c) can also be dispersed in hardener (b).
  • the epoxy resin compositions according to the invention are cured to give moldings, coatings or the like in the manner customary for epoxy resin technology, as described, for example, in the "Handbook of Epoxy Resins", 1967 by H. Lee and K. Neville.
  • the curable compositions Due to the high latency of the microgel-amine salts according to the invention, the curable compositions have a high storage stability and a long service life, as well as a high resistance to strong mechanical influences (shear stress, pressure load).
  • the improved storage stability compared to conventional accelerators allows e.g. the production of 1-component epoxy resin / hardener systems or of such epoxy resin systems that have improved storage stability without cooling and / or allow plasticization at high temperatures without significant reaction progress.
  • Such compositions according to the invention remain e.g. longer flow in plasticizing processes with little impact on reactivity at curing temperature.
  • compositions according to the invention are suitable in principle in all
  • Rotors also for the production of various mechanical components, e.g. Casing,
  • the present invention therefore also relates to the crosslinked products, such as, for example, molding materials, coatings or bonds, obtainable by curing a composition according to the invention.
  • Example 1 J Microgel from methacrylic acid, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate and trimethylolpropane trimethacrylate
  • a monomer mixture is prepared from 17.05 g methacrylic acid, 42.07 g methyl methacrylate, 7.51 g ethylene glycol dimethacrylate and 7.51 g trimethylolpropane trimethacrylate.
  • a solution of 0.033 g of sodium persulfate in 0.6 ml of deionized water is added.
  • the reaction mixture is stirred at 65 ° C. for a further 5.5 h.
  • the contents of the reaction vessel are filtered through a paper filter.
  • the emulsion thus obtained has a solids content of 14.3% and an acid content of 0.408 mol / kg and can be reacted directly with an amine or imidazole to give a microgel-amine salt.
  • a solution of 17.08 g of 2-ethyl-4-methylimidazole in 44 g of isopropanol is added to 400 g of the aqueous emulsion prepared according to Example 1J with stirring.
  • the emulsion of a microgel-imidazole salt thus obtained is spray-dried (inlet temperature: 132 ° C, outlet temperature: 85 ° C).
  • the microgel-imidazole powder is dried at 70 ° C. under vacuum (20 mbar) for 8 hours and has an amine content of 1.96 mol / kg and an acid content of 2.01 mol / kg.
  • the ratio between the AD values at 120 ° C and 160 ° C is 6.9 and thus demonstrates good latency.
  • Chromium-plated tools are used to produce ISO granules (80 x 10 x 4 mm) from the granulate within 4 min at 170 ° C and Tg plates (60 x 10 x 1 mm) within 3 min at 170 ° C. The following properties were measured on the moldings obtained:
  • Example 3J For comparison to Example 3J, a standard system is produced, characterized in that 2-ethylimidazole is used as an accelerator instead of the microgel imidazole accelerator in Example 3J. Otherwise, the example has the same composition as in Example 3J.
  • the granulate produced analogously to Example 3J has an AD value ratio of 3.4.
  • Example 3.3 comparative example: use of an anti-hardening agent
  • Imidazole accelerator according to Example 1.2 5378.3 g of quartz with an average grain size of less than 7.0 ⁇ m, available from Sihelco, under the trade name B300,
  • B-value serves as a measure for the
  • the AD value as a measure of the hardening time (time from filling the sample to
  • Example 3.3 For comparison to Example 3.3, a standard system is produced, characterized in that 2-ethylimidazole is used as an accelerator instead of the microgel imidazole accelerator in Example 3.3. Otherwise, the example has the same composition as in Example 3.3.
  • the granulate produced analogously to Example 3.3 has an AD value ratio of 4.5.
  • the granules produced according to experiments 3J (according to the invention) and 3.2 above are plasticized in the plasticizing cylinder of an injection molding machine at elevated temperature, the temperatures for zones 1 and 2 each being 75 ° C. and for zone 3 90 ° C.
  • the system according to the invention can also be used after interruptions of up to 5
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the pressing tool with which the test coils are impregnated in the following examples.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through the bobbin used in the examples and its dimensions.
  • the test coil is impregnated according to the principle of transfer molding (transfer presses), the test apparatus shown schematically in FIG. 1 being used.
  • This contains two separable parts (1) and (6).
  • the first part (1) has a spray chamber (2) for receiving a tablet (11) consisting of the impregnating composition according to the invention, the transfer piston (3), the cavity (4) and a bore (5) for receiving a temperature sensor.
  • the second part (6) contains a core (7) for holding the coil (10) to be impregnated, a device (8) for removing the completely impregnated coil from the core (7) and a connection (9) for evacuating the cavity (4 ).
  • the winding thickness of the top chamber to the bottom chamber rises from approx. 3.5 to approx. 5.5 mm, is introduced into the cavity (4) of the impregnation tool (1, 6) heated to 180 ° C.
  • the granular impregnation composition is cold-pressed into a tablet and then heated to approx. 70 ° C. using a high-frequency preheater.
  • the preheated tablet (11) is introduced into the spray chamber (2) and a vacuum of approx. 30 mbar is applied to the cavity.
  • the impregnation compound is then transferred into the cavity (4) with the aid of the piston (3) over a period of approx. 15 s (spray pressure between 80 and 150 bar).
  • the subsequent hardening time is 5 min.
  • the coated and impregnated coil is removed from the mold.
  • the removed coil is sawn and polished in the longitudinal direction.
  • the impregnation depth achieved is measured with the aid of a microscope and the impregnation quality is visually assessed.
  • the impregnation is considered "good” if more than 95 Percent of the space between the turns of a winding is filled with the impregnating compound.
  • an impregnation composition of the above composition 500 grams are produced and examined.
  • the impregnation compound shows the following properties:
  • An extensive impregnation depth of 4 mm can accordingly be achieved with the formulation according to the invention while maintaining good impregnation quality.
  • a Shore D hardness of 70 necessary for demoulding the coil is reached after only 3 minutes.
  • a reduction in production costs can be achieved with such quick-curing molding compounds.
  • the good impregnation properties of the molding compositions according to the invention described in section 4.2 make it possible to construct pencil ignition coils in several stages.
  • the metal core of a coil can be coated with the molding compound in such a way that the outer contour forms a coil former for the internal winding of a pencil ignition coil (see FIG. 3; molding compound corresponds to the black zone).
  • the inner coil body can be both the primary and the secondary winding, as indicated in the lower or upper half of the drawing.
  • the outer contour of the molded body forms the coil body for the second, correspondingly complementary winding (see FIG. 4; molding compound corresponds to the black zone)
  • the outer winding can now also be impregnated and wrapped.
  • the outer shape is identical to the outer contour of the pencil ignition coil, provided that no further structures, for example for electrical shielding, are provided (see FIG. 5; molding compound corresponds to the hatched zone).
  • thermoplastic coil former customary today can be replaced by the molding compound according to the invention, which brings about a reduction in the dielectric transitions and thus potential partial discharges.

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Abstract

Eine Zusammensetzung enthaltend (a) ein Epoxidharz mit durchschnittlich mehr als einer 1, 2-Epoxidgruppe pro Molekül, (b) ein Polyol als Epoxidharzhärtungsmittel und (c) ein festes Mikrogel-Amin-Addukt als Beschleuniger, weist eine hohe Latenz, eine gute Lagerstabilität und ein weites Verarbeitungsfenster auf.

Description

Laαerstabile Epoxidharzzusammensetzungen
Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen enthaltend ein Epoxidharz und ein Polyol als Härter für das Epoxidharz und ein Mikrogel-Amin-Salz bzw. Mikrogel-Imidazol-Salz als Beschleuniger, sowie vernetzte Produkte erhältlich durch Härtung dieser Zusammensetzungen.
Stickstoffhaltige Basen sind dem Fachmann als Härter oder Härtungsbeschleuniger für Epoxidharze wohlbekannt. Solche Systeme weisen allerdings nur eine beschränkte Lagerstabilität auf, da diese Basen bereits bei relativ niedriger Temperatur, teilweise bereits bei Raumtemperatur, mit Epoxiden reagieren, was sich in einem Viskositätsanstieg der Epoxidharzformulierung äussert und bei längerer Lagerdauer zur Gelierung der Mischung führt. Mit zunehmender Reaktivität der stickstoffhaltigen Base wird die Lagerstabilität der Epoxidharzmischung vermindert und die Gebrauchsdauer (Topfzeit) verkürzt. Aus diesem Grund werden solche Systeme als Zwei-Komponenten-Systeme formuliert, d.h. Epoxidharz und stickstoffhaltige Base werden getrennt gelagert und erst kurz vor der Verarbeitung gemischt.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Lagerstabilität solcher Systeme durch Entwicklung von entsprechender Härtungssystemen zu verbessern. Die gestellte Aufgabe gewinnt an Komplexität, da zugleich mit einer hohen Lagerstabilität und Gebrauchsdauer weder die Reaktivität bei der gewünschten Härtungstemperatur reduziert noch die Eigenschaften der ausgehärteten Materialien verschlechtert werden soll.
In der EP-A-304503 werden master batches aus enkapsulierten Materialien und Epoxiden als latente Härter für Epoxidharze beschrieben, wobei das Core-Material ein pulverförmiges tertiäres Amin ist, das von einer Schale aus dem Reaktionsprodukt desselben Amins mit einem Epoxidharz umgeben ist.
Ein ähnliches Härtungssystem, jedoch mit einem Core-Material aus einem Amin und einem Anhydrid, wird in der JP-A-Hei 02-191624 offenbart.
Solche latenten Härter bzw. Beschleuniger auf Basis von enkapsulierten Partikeln sind zwar zur Herstellung von lagerstabilen Ein-Komponenten-Systemen geeignet, weisen jedoch den Nachteil einer ungenügenden Stabilität gegenüber mechanischen Einwirkungen, wie z.B. Scherkräften und Druckbelastungen, auf.
BCIß-Komplexe besitzen auch eine gute Latenz, jedoch tritt bei Temperaturen ab 160 °C eine Rauchbildung auf, so dass sich ihre Verwendung in Giessharzen auf Epoxidharzbasis verbietet, da die Formtemperaturen bei oder oberhalb dieser Temperatur liegen.
In der EP-A 0 816 393 werden latente Epoxid-Härtungssysteme (auf Basis von Anhydridhärtern in Kombination mit Salzen von Mikrogelen enthaltend COOH-Gruppen und Stickstoff-Basen) mit verbesserter Topfzeit beschrieben, die eine hohe Stabilität gegenüber mechanischer Beanspruchung in Form von Scherkräften besitzen und zusätzlich zu gehärteten Formkörpern mit hoher Glastemperatur und hoher thermischer Beständigkeit führen. Die Latenz dieser Systeme ist jedoch noch verbesserungsfähig, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.
In der EP-A 0 633 286 werden härtbare Epoxid-Härtungssysteme zur Herstellung von Formstoffen mit hochglänzenden Oberflächen beschrieben, enthaltend ein Epoxidharz, ein Härtungsmittel sowie als Füllstoffe Wollastonit und ein Quarz Kaolinit-Gemisch. Die Latenz dieser Systeme ist jedoch ebenfalls noch verbesserungsfähig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Epoxid-Härtungssysteme mit guter Lagerstabilität, guter Reaktivität unter Härtungsbedingungen, mit guten und gleichzeitig vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten auch bei erhöhten Temperaturen und schliesslich mit guten Eigenschaften der ausgehärteten Materialien bereitzustellen.
Es wurde nun gefunden, dass Zusammensetzungen enthaltend ein Epoxidharz und ein Polyol als Härter für das Epoxidharz und ein festes Mikrogel-Amin-Salz bzw. festes Mikrogel- Imidazol-Salz als Beschleuniger das gewünschte Eigenschaftsprofil aufweisen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist somit eine Zusammensetzung enthaltend
(a) ein Epoxidharz mit durchschnittlich mehr als einer 1 ,2-Epoxidgruppe pro Molekül,
(b) ein Polyol als Epoxidharzhärtungsmittel und
(c) ein festes Reaktionsprodukt aus einem Carbonsäuregruppen enthaltendem Mikrogel und einer stickstoffhaltigen Base (Mikrogel-Amin-Addukt) als Beschleuniger. Zur Herstellung der erfindungsgemässen Zusammensetzungen eignen sich als Komponente (a) die in der Epoxidharztechnik üblichen Epoxidharze. Beispiele für Epoxidharze sind:
I) Polyglycidyl- und Poly-(ß-methylglycidyl)-ester, erhältlich durch Umsetzung einer Verbindung mit mindestens zwei Carboxylgruppen im Molekül und Epichlorhydrin bzw. ß- Methylepichlorhydrin. Die Umsetzung erfolgt zweckmässig in der Gegenwart von Basen.
Als Verbindung mit mindestens zwei Carboxylgruppen im Molekül können aliphatische Poly- carbonsäuren verwendet werden. Beispiele für solche Polycarbonsäuren sind Oxalsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Azelainsäure oder dimerisierte bzw. trimerisierte Linolsäure.
Es können aber auch cycloaliphatische Polycarbonsäuren eingesetzt werden, wie beispielsweise Tetrahydrophthalsäure, 4-Methyltetrahydrophthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder 4- Methylhexahydrophthalsäure.
Weiterhin können aromatische Polycarbonsäuren Verwendung finden, wie beispielsweise Phthalsäure, Isophthalsäure oder Terephthalsäure.
II) Polyglycidyl-oder Poly-(ß-methylglycidyl)-ether, erhältlich durch Umsetzung einer Verbindung mit mindestens zwei freien alkoholischen Hydroxygruppen und/oder phenolischen Hydroxygruppen mit Epichlorhydrin oder ß-Methylepichlorhydrin unter alkalischen Bedingungen oder in Anwesenheit eines sauren Katalysators mit anschliessender Alkalibehandlung.
Die Glycidylether dieses Typs leiten sich beispielsweise von acyclischen Alkoholen ab, z.B. von Ethylenglykol, Diethylenglykol oder höheren Poly-(oxyethylen)-glykolen, Propan-1 ,2-diol oder Poly-(oxypropylen)-glykolen, Propan-1 ,3-diol, Butan-1 ,4-diol, Poly-(oxytetramethylen)- glykolen, Pentan-1 ,5-diol, Hexan-1 ,6-diol, Hexan-2,4,6-triol, Glycerin, 1 J J-Trimethylol- propan, Pentaerythrit, Sorbit, sowie von Polyepichlorhydrinen.
Weitere Glycidylether dieses Typs leiten sich ab von cycloaliphatischen Alkoholen, wie 1 ,4- Cyclohexandimethanol, Bis-(4-hydroxycyclohexyl)-methan oder 2,2-Bis-(4-hydroxycyclo- hexyl)-propan, oder von Alkoholen, die aromatische Gruppen und/oder weitere funktioneile Gruppen enthalten, wie N,N-Bis-(2-hydroxyethyl)-anilin oder p,p'-Bis-(2-hydroxyethylamino)- diphenylmethan. Die Glycidylether können auch auf einkernigen Phenolen, wie beispielsweise Resorcin oder Hydrochinon, oder auf mehrkernigen Phenolen, wie beispielsweise Bis-(4-hydroxyphenyl)- methan, 4,4'-Dihydroxybiphenyl, Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfon, 1 ,1 ,2,2-Tetrakis-(4- hydroxyphenyl)-ethan, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan oder 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4- hydroxyphenyl)-propan, basieren.
Weitere geeignete Hydroxyverbindungen zur Herstellung von Glycidylethern sind Novolake, erhältlich durch Kondensation von Aldehyden, wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Chloral oder Furfuraldehyd, mit Phenolen oder Bisphenolen, die unsubstituiert oder mit Chloratomen oder d-Cg-Alkylgruppen substituiert sind, wie beispielsweise Phenol, 4-Chlorphenol, 2- Methylphenol oder 4-tert.-Butylphenol.
III) Poly-(N-glycidyl)-verbindungen, erhältlich durch Dehydrochlorierung der Reaktionsprodukte von Epichlorhydrin mit Aminen, die mindestens zwei Aminwasserstoffatome enthalten. Bei diesen Aminen handelt es sich zum Beispiel um Anilin, n-Butylamin, Bis-(4- aminophenyl)-methan, m-Xylylendiamin oder Bis-(4-methylaminophenyl)-methan.
Zu den Poly-(N-glycidyl)-verbindungen zählen aber auch Triglycidylisocyanurat, N,N'-Di- glycidylderivate von Cycloalkylenharnstoffen, wie Ethylenharnstoff oder 1 ,3-Propylen- harnstoff, und Diglycidylderivate von Hydantoinen, wie von 5,5-Dimethylhydantoin.
IV) Poly-(S-glycidyl)-verbindungen, beispielsweise Di-S-glycidylderivate, die sich von Dithiolen, wie beispielsweise Ethan-1 ,2-dithiol oder Bis-(4-mercaptomethylphenyl)-ether, ableiten.
V) Cycloaliphatische Epoxidharze, wie beispielsweise Bis-(2,3-epoxycyclopentyl)-ether, 2,3-Epoxycyclopentylglycidylether, 1 ,2-Bis-(2,3-epoxycyclopentyloxy)-ethan oder 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat.
Es lassen sich aber auch Epoxidharze verwenden, bei denen die 1 ,2-Epoxidgruppen an unterschiedliche Heteroatome bzw. funktionelle Gruppen gebunden sind; zu diesen Verbindungen zählen beispielsweise das N,N,O-Triglycidylderivat des 4-Aminophenols, der Glycidylether-glycidylester der Salicylsäure, N-Giycidyl-N'-(2-glycidyloxypropyl)-5,5-di- methylhydantoin oder 2-Glycidyloxy-1 ,3-bis-(5,5-dimethyl-1-glycidylhydantoin-3-yl)-propan. Neben flüssigen kommen auch feste Polyglycidylether und -ester Verbindungen mit Schmelzpunkten oberhalb Raumtemperatur bis etwa 250°C in Betracht. Bevorzugt liegen die Schmelzpunkte der festen Verbindungen im Bereich von 50 bis 150°C. Solche festen Verbindungen sind bekannt und zum Teil im Handel erhältlich. Als feste Polyglycidylether und -ester können auch die durch Vorverlängerung von flüssigen Polyglycidylethern und - estern erhaltenen Advancement-Produkte verwendet werden.
Bevorzugt verwendet man zur Herstellung der erfindungsmässen Epoxidharzzusammensetzungen ein aromatisches Epoxidharz, also eine Epoxidverbindung, die im Molekül einen oder mehrere aromatische Ringe aufweist.
Insbesondere verwendet man zur Herstellung der erfindungsmässen Epoxidharzzusammensetzungen einen, ggf. vorverlängerten, Bisphenoldiglycidylether oder ein Epoxynovolakharz, besonders bevorzugt ein Epoxyphenol- oder ein Epoxykresolnovolakharz. Es können auch Gemische von Epoxidharzen verwendet werden.
Als Epoxidharzhärtungsmittel (b) werden für die erfindungsgemässen Epoxidharzzusammensetzungen aliphatische oder aromatische Polyole eingesetzt.
Als aliphatische Polyole eignen sich beispielsweise Ethylenglykol, Diethylenglykol und höhere Poly-(oxyethylen)-glykole, Propan-1 ,2-diol oder Poly-(oxypropylen)-glykole, Propan- 1 ,3-diol, Butan-1 ,4-diol, Poly(oxytetramethylen)-glykole, Pentan-1 ,5-diol, Hexan-1 ,6-diol, Hexan-2,4,6-triol, Glycerin, 1 J J-Trimethylolpropan, Pentaerythrit oder Sorbit.
Als aromatische Polyole eignen sich beispielsweise einkernige Phenole, wie Resorcin, Hydrochinon, N,N-Bis-(2-hydroxyethyl)-anilin, oder mehrkernige Phenole, wie p,p'-Bis-(2- hydroxyethylamino)-diphenylmethan, Bis-(4-hydroxyphenyl)-methan, 4,4'-Dihydroxybiphenyl, Bis-(4-hydroxyphenyl)-sulfon, 1 ,1 ,2,2'-Tetrakis-(4-hydroxyphenyl)-ethan, 2,2-Bis-(4- hydroxyphenyl)-propan, 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan sowie Novolake, erhältlich durch Kondensation von Aldehyden, wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Chloral oder Furfuraldehyd, mit Phenolen, wie Phenol, oder mit Phenolen, die im Kern mit Chloratomen oder C-j-Cg-Alkylgruppen substituiert sind, wie beispielsweise 4-Chlorphenol, 2-Methylphenol, oder 4-tert.-Butylphenol, oder durch Kondensation mit Bisphenolen, solche der oben genannten Art, eingesetzt werden. Bevorzugt verwendet man als phenolisches Härtungsmittel (b) einen Kresolnovolak.
Es können auch Härtergemische verwendet werden. Es können weiterhin auch Härtergemische verwendet werden, bei denen andere gebräuchliche Epoxidharzhärter als die oben genannten Haupthärter als Cohärter eingesetzt werden, wie beispielsweise Anhydridhärter.
Das Verhältnis von Härter (b) zu Epoxidharz (a) lässt sich in weiten Grenzen variieren und ist abhängig vom Gehalt an Epoxidgruppen in (a) und Hydroxylgruppen in (b) und den gewünschten Eigenschaften der härtbaren Zusammensetzung und des gehärteten Produktes. Im allgemeinen werden prol Mol Epoxidgruppen etwa 0,7 bis 1 ,3 Mol OH- Gruppen eingesetzt, bevorzugt 0,9 bis 1 ,1 Mol. Es ist aber auch möglich, geringere Mengen an OH-Gruppen zu verwenden, gegebenenfalls unter Zusatz von anderen gebräuchlichen Epoxidharzhärtern als den oben genannten Polyolen.
Als Komponente (c) der vorliegenden Erfindung dient ein festes Reaktionsprodukt aus einem Carbonsäuregruppen enthaltenden Mikrogel und einer stickstoffhaltigen Base (Mikrogel- Amin-Addukt). Näheres zur Herstellung eines solchen Reaktionsproduktes, mögliche Zusammensetzungen, Bevorzugungen usw. sind Gegenstand der eingangs erwähnten EP-A 0 816 393 und sind nachfolgend, soweit relevant für den vorliegenden Erfindungsgegenstand, dieser Druckschrift entnommen:
Unter Mikrogelen versteht man im allgemeinen Makromoleküle, deren Kettensegmente im Bereich der einzelnen Knäuel über kovalente Brücken vernetzt sind. Mikrogele können nach verschiedenen bekannten Polymerisationsmethoden hergestellt werden. Vorteilhaft ist die Emulsionspolymerisation von Verbindungen mit polymerisierbaren C-C-Doppelbindungen in Gegenwart von sogenannten mehrfunktionellen Vernetzern, beispielsweise nach der Saat-Methode (seeding technique). Dabei liegen die Mikrogelpartikel nach der Polymerisation in Form einer wässrigen Emulsion oder Suspension vor. Die weitere Umsetzung mit der stickstoffhaltigen Base kann vorzugsweise mit einer solchen Emulsion/Suspension erfolgen. Es ist aber auch möglich, das Mikrogel zunächst in Form eines festen Pulvers, z.B. mittels Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung, zu isolieren, oder die wässrige Emulsion durch Lösungsmittelaustausch in eine organische Phase zu überführen. Ais mehrfunktionelle Vemetzer können im Prinzip alle Verbindungen, die mindestens zwei polymerisierbare C-C-Doppelbindungen enthalten, Anwendung finden. Dabei entstehen intramolekular vernetzte Copolymere, die im allgemeinen Partikelgrössen im Nanometerbereich (ca. 5-1000 nm) aufweisen.
Ein bevorzugtes Mikrogel zur Herstellung des Reaktionsprodukts ist ein Copolymer aus mindestens einer ungesättigten Carbonsäure und mindestens einem mehrfunktionellen Vernetzer.
Ein besonders bevorzugtes Mikrogel ist ein Copolymer aus mindestens einer ungesättigten Carbonsäure, mindestens einem carbonsäuregruppenfreien Vinylmonomer und mindestens einem mehrfunktionellen Vernetzer.
Zur Herstellung von Carbonsäuregruppen enthaltenden Mikrogelen eignen sich grundsätzlich alle Carbonsäuren, die eine polymerisierbare C-C-Doppelbindung enthalten.
Bevorzugte ungesättigte Carbonsäuren sind Acrylsäure, Methacrylsäure, 2-Carboxyethylacrylat, 2-Carboxyethylmethacrylat, Phthalsäuremono(2-acryloylethyl)ester, Phthalsäuremono(2-methacryloylethyl)ester, Maleinsäure, Maleinsäuremonomethylester, Maleinsäuremonoethylester, Fumarsäure, Fumarsäuremonomethylester, Fumarsäuremonoethylester, Itaconsäure, Zimtsäure, Crotonsäure, 4-Vinylcyclohexan- carbonsäure, 4-Vinylphenylessigsäure und p-Vinylbenzoesäure.
Acrylsäure und Methacrylsäure sind insbesondere bevorzugt.
Als mehrfunktionelle Vernetzer eignen sich grundsätzlich alle Verbindungen, die mindestens zwei polymerisierbare C-C-Doppelbindungen enthalten. Ebenfalls geeignet als mehrfunktionelle Vernetzer sind Gemische aus mindestens zwei Vinylmonomeren, wie z.B. Methacrylsäure und Glycidylmethacrylat, die über zusätzliche funktioneile Gruppen während oder nach der Polymerisationsreaktion miteinander reagieren können.
Vorzugsweise wird ein polyfunktioneller Acrylsäureester oder Methacrylsäureester eines aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Polyols, ein Additionsprodukt von Acrylsäure oder Methacrylsäure und einer Polyglycidylverbindung, ein Additionsprodukt von Acrylsäure oder Methacrylsäure und Glycidylacrylat oder -methacrylat, ein Acrylsäurealkenylester oder Methacrylsäurealkenylester, ein Dialkenylcyclohexan oder ein Dialkenylbenzol als mehrfunktioneller Vernetzer verwendet.
Besonders bevorzugte mehrfunktionelle Vernetzer sind Ethylengiykoldiacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat, Propylenglykoldiacrylat, Propylenglykoldimethacrylat, 1 ,4- Butandioldiacrylat, 1 ,4-Butandioldimethacrylat, Polyethylenglykoldiacrylat, Polyethylenglykoldimethacrylat, Polypropylenglykoldiacrylat, Polypropylenglykoldimethacrylat, 1 J J -Trimethylolpropantriacrylat, 1 J J -Trimethylol- propantrimethacrylat, Bisphenol-A-diglycidyletherdiacrylat, Bisphenol-A-diglycidylether- dimethacrylat, Acrylsäureallylester, Methacrylsäureallylester, Divinylcyclohexan und Divinylbenzol.
Das zur Herstellung der Mikrogele verwendete Monomerengemisch kann ein oder mehrere carbonsäuregruppenfreie Vinylmonomere enthalten, wie zum Beispiel Butadien und Butadienderivate, Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylsäureester und -amide, Methacrylsäureester und -amide, Vinylether und -ester, Allylether und -ester, Styrol und Styrolderivate.
Bevorzugte carbonsäuregruppenfreie Vinylmonomere sind Alkylester, Hydroxyalkyl ester und Glycidylester von ungesättigten Carbonsäuren und Styrolderivate.
Besonders bevorzugte carbonsäuregruppenfreie Vinylmonomere sind Methylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Ethylmethacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat, 2-Hydroxyethylmethacrylat, Butylacrylat, Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat und Styrol.
Das Reaktionsprodukt wird vorzugsweise aus einem Mikrogel hergestellt, welches ein Copolymer aus 2 bis 70 Gew.-% mindestens einer ungesättigten Carbonsäure, 0 bis 96 Gew.-% mindestens eines carbonsäuregruppenfreien Vinylmonomers und 2 bis 70 Gew.-% mindestens eines mehrfunktionellen Vernetzers ist, wobei die Summe der Gewichtsprozentanteile immer 100 beträgt. Besonders bevorzugte Mikrogele sind Copolymere aus 5 bis 50 Gew.-%, insbesondere 10 bis 40 Gew.-%, mindestens einer ungesättigten Carbonsäure, 0 bis 90 Gew.-%, insbesondere 30 bis 85 Gew.-%, mindestens eines carbonsäuregruppenfreien Vinylmonomers und 5 bis 50 Gew.-%, insbesondere 5 bis 30 Gew.-% mindestens eines mehrfunktionellen Vernetzers.
Die Reaktionsprodukte werden im folgenden vereinfachend als "Mikrogel-Amin-Salze" bezeichnet, wobei der Begriff "Amin" in diesem Zusammenhang ganz allgemein für "stickstoffhaltige Basen" steht und nicht auf die Bedeutung des Begriffs "Amin" im strengeren Sinne beschränkt ist.
Geeignete stickstoffhaltige Basen zur Herstellung der Reaktionsprodukte sind im Prinzip alle basischen Verbindungen, die mindestens ein basisches Stickstoff-Atom enthalten. Beispiele dafür sind aliphatische, cycloaliphatische und aromatische Amine sowie gesättigte und ungesättigte N-Heterocyclen.
Es können primäre, sekundäre und tertiäre Amine eingesetzt werden; auch die Verwendung von Verbindungen mit mehreren basischen Stickstoffatomen ist möglich. Beispiele dafür sind Imidazole, Polyamine, wie Triethylentetramin oder Isophorondiamin, Polyaminoamide, wie zum Beispiel die Reaktionsprodukte von aliphatische Polyaminen und dimerisierten oder trimerisierten Fettsäuren, aber auch Polyoxyalkylenamine, wie z. B. Jeffamine® (Fa. Texaco).
Vorzugsweise wird ein Amin, ein Polyamin oder ein Imidazol eingesetzt.
Natürlich sind auch Gemische von Aminen und Imidazolen geeignet.
Besonders bevorzugte stickstoffhaltige Basen sind die Amine und Imidazole der Formeln I, II oder III
NR,R2R3 (I),
R4R5N-A-NR6R7 (II)
Figure imgf000012_0001
worin Ri bis R7 unabhängig voneinander Wasserstoff, C C12-Alkyl, unsubstituiertes oder substituiertes Phenyl, Benzyl, Phenylethyl, Cyclopentyl oder Cyclohexyl bedeuten, oder R2 und R3 oder R4 und R5 oder R6 und R7 zusammen Tetramethylen, Pentamethylen, -(CH2)2-O-(CH2)2- oder -(CH2)2-NH-(CH2)2- darstellen, A für CrC30-Alkandiyl steht,
R8 bis Rn unabhängig voneinander Wasserstoff , Crdβ-Alkyl, Phenyl oder Benzyl bedeuten oder R8 und R9 oder R8 und Rn oder R10 und Rn zusammen Tetramethylen, Pentamethylen, -(CH2)2-O-(CH2)2- oder -(CH2)2-NH-(CH2)2- darstellen.
Beispiele für Amine der Formel I sind Trimethylamin, Triethylamin, Phenyldimethylamin, Diphenylmethylamin, Triphenylamin, Benzylamin, N,N-Dimethylbenzylamin, Pyrrolidin, N-Methylpyrrolidin, N-Methylpiperidin und N-Phenylpiperidin.
Geeignete Diamine der Formel II sind beispielsweise 1 ,2-Diaminoethan und N,N,N',N'-Tetramethyl-1 ,2-diaminoethan.
Beispiele für Imidazole der Formel III sind Imidazol, 1-Methylimidazol, 2-Methylimidazol, 2-Phenylimidazol, 2-lsopropylimidazol, 2-Dodecylimidazol, 2-Heptadecylimidazol und 2-Ethyl-4-methylimidazol.
2-PhenylimidazoI, 2-lsopropylimidazol, 2-Dodecylimidazol, 2-Heptadecylimidazol und 2- Ethyl-4-methylimidazol sind ganz besonders bevorzugte stickstoffhaltige Basen.
Die Umsetzung der stickstoffhaltigen Base mit dem Carbonsäuregruppen enthaltenden Mikrogel erfolgt vorzugsweise in Lösung. Bevorzugte Lösungsmittel sind Wasser und Mischungen von Wasser mit wassermischbaren Lösungsmitteln, wie z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol oder Aceton. Dabei kann die bei der Herstellung des Mikrogels durch Emulsionspolymerisation anfallende Emulsion oder Suspension direkt eingesetzt werden. Die Reaktionstemperaturen betragen zweckmässig 0 bis 200 °C, vorzugsweise 10 bis 100 °C. Das Mengenverhältnis der Ausgangsprodukte kann dabei in weiten Bereichen variieren. Zweckmässig werden jedoch solche Mengen von Carbonsäuregruppen enthaltendem Mikrogel und stickstoffhaltiger Base eingesetzt, dass die COOH-Gruppen im Verhältnis zu basischen Stickstoffatomen in äquimolaren Mengen oder im Überschuss vorliegen. Die Anzahl der basischen Stickstoffatome beträgt, bezogen auf die Anzahl der COOH-Gruppen im Mikrogel, vorzugsweise 5 bis 100 mol-%, besonders bevorzugt 30 bis 100 mol-% und insbesondere bevorzugt 60 bis 95 mol-%.
Die Isolierung des Mikrogel-Amin-Salzes als festes Pulver kann mittels Sprühtrocknung oder Lyophilisation erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Emulsion/Suspension mit bekannten Methoden (Elektrolytzugabe, Ausfrieren) zu koagulieren und das ausgefallene Produkt durch Filtration als feste Substanz zu isolieren, die gegebenenfalls durch weiteres Pulverisieren in die gewünschte Partikelgrösse überführt werden kann. Ausserdem kann das Produkt gewonnen werden, indem die Emulsion zur Trockne eingedampft wird und der Rückstand mit bekannten Methoden in die gewünschte Form überführt wird.
Für die vorliegende Erfindung werden die Mikrogel-Amin-Salze ausschliesslich in fester Form verwendet. Wie eingangs erwähnt, eignen sich die Mikrogel-Amin-Salze (c) als Härter oder insbesondere als Härtungsbeschleuniger für Epoxidharze (a). Das Mengenverhältnis der Komponenten (a) und (c) kann in den erfindungsgemässen Zusammensetzungen in weiten Bereichen variieren. Das optimale Verhältnis ist u.a. abhängig vom Amintyp und Amingehalt des Mikrogel-Amin-Salzes sowie von der gewünschten Reaktivität der Zusammensetzung und kann vom Fachmann leicht ermittelt werden.
Das Gewichtsverhältnis der Komponenten (a) zu (c) beträgt zweckmässig von 1 zu 2 bis 2000 zu 1 , vorzugsweise von 1 zu 1 bis 1000 zu 1 , und besonders bevorzugt von 2 zu 1 bis 1000 zu 1 , wenn (c) als Beschleuniger verwendet wird.
Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen können gegebenenfalls weitere bekannte Beschleuniger, wie zum Beispiel Imidazole oder Benzyldimethylamin, enthalten.
Weiterhin können die härtbaren Mischungen Zähigkeitsvermittler ("Toughener") enthalten, wie zum Beispiel Core/Shell-Polymere oder die dem Fachmann als "Rubber Toughener" bekannten Elastomere oder Elastomere enthaltende Pfropfpolymere. Geeignete Zähigkeitsvermittler sind beispielsweise in der EP-A-449 776 beschrieben. Für viele Anwendungen werden Zusammensetzungen bevorzugt, die neben den bereits beschriebenene Komponenten (a), (b) und (c) noch Füllstoff (d) enthalten.
Ein weiterter Gegenstand der vorliegenden Erfindungen sind daher auch härtbare Zusammensetzungen enthaltend
(a) ein Epoxidharz mit durchschnittlich mehr als einer 1 ,2-Epoxidgruppe pro Molekül,
(b) ein Polyol als Epoxidharzhärtungsmittel,
(c) ein Mikrogel-Amin-Addukt als Beschleuniger und
(d) Füllstoff.
Als Füllstoffe (d) kommen für die härtbaren Mischungen alle bekannten mineralischen und organischen Typen in Frage, wie beispielsweise Metallpulver, Holzmehl, Russ, Glasfasern, Glaspulver, Glaskugeln, Kevlar; Halbmetall- und Metalloxide, wie zum Beispiel SiO2 (Aerosile, Quarz, Quarzmehl, Quarzgutmehl, Aluminiumoxid, Titandioxid und Zirkoniumoxid; Metallhydroxide, wie Mg(OH)2, AI(OH)3 und AIO(OH); Halbmetall- und Metallnitride, wie zum Beispiel Siliziumnitrid, Bornitrid und Aluminiumnitrid; Halbmetall- und Metallcarbide (SiC und Borcarbide); Metallcarbonate (Dolomit, Kreide, CaCO3); Metallsulfate (Baryt, Gips); Zinksulfid; Gesteinsmehle, wie z.B. von Hydromagnesit und Huntit, und natürliche oder synthetische Mineralien hauptsächlich aus der Silikatreihe, wie zum Beispiel Zeolithe (insbesondere Molekularsiebe), Talkum, Glimmer, Kaolin, Sillitin, Wollastonit, Bentonit und andere.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Oberflächengüte können von o.g. Füllstoffen auch mit Additiven, speziell Haftvermittlern, beschichtete Varianten zum Einsatz kommen. Zur Oberflächenbehandlung finden vorzugsweise Silane und Acrylate Verwendung. Eine besonders bevorzugte Variante ist die Silanisierung mit dem epoxidgruppenhaltigen Silan Silquest® A-187 (gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan der Fa. Osi Specialities).
Bevorzugte Füllstoffe für die erfindungsgemässen Zusammensetzungen sind Wollastonit und/oder ein Gemisch aus Quarz und Kaolinit.
Wollastonit ist ein natürlich vorkommendes Calciumsilikat der Formel Ca3[S.3θg] von nadeiförmiger Gestalt, ebenso wie der künstlich hergestellte Wollastonit. Wollastonit ist im Handel erhältlich, beispielsweise unter der Bezeichnung Nyad® der Firma Nico. Vorzugsweise wird in den erfindungsgemässen Zusammensetzungen Wollastonit mit einer mittleren Teilchengrösse von kleiner als 50 μm, bevorzugt kleiner als 5 μm, und in Mengen von 1 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 25 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d), eingesetzt. Quarz/Kaolinit Gemische sind bekannt und können durch einfaches Mischen von gemahlenem Quarz mit Kaolinit hergestellt werden. Kaolinit, ein Hauptbestandteil des Kaolins, ist im Handel als mikrokristallines Aluminiumsilikat erhältlich. Vorzugsweise werden in den erfindungsgemässen Zusammensetzungen Quarz/Kaolinit- Gemische mit einer mittleren Teilchengrösse kleiner als 50 μm, bevorzugt kleiner als 5 μm, einem Gewichtsverhältnis von Quarz zu Kaolinit von 5 zu 95 bis 95 zu 5, bevorzugt von 20 zu 80 bis 80 zu 20 und in Mengen von 1 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 25 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d), eingesetzt.
Die Mengen an Füllstoffen lässt sich je nach Anwendung in weiten Bereichen variieren und beträgt 1 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung der Komponenten (a), (b), (c) und (d).
Neben den oben erwähnten Füllstoffen können die härtbaren Gemische weitere übliche Zusatzstoffe enthalten, wie z.B. Lösemittel, Reaktiwerdünner, Antioxidantien, Lichtschutzmittel, Weichmacher, Farbstoffe, Pigmente, Thixotropiemittel, Zähigkeitsverbesserer, Entschäumer, Antistatika, Haftungs-, Trenn-, Hydrophobisierungs-, Gleit- und Entformungshilfsmittel.
Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen können nach bekannten Methoden mit Hilfe bekannter Mischaggregate, wie beispielsweise Rührer, Kneter, Walzen oder Trockenmischern, hergestellt werden. Im Falle von festen Epoxidharzen kann die Dispergierung auch in der Schmelze erfolgen. Die Temperatur bei der Dispergierung soll so gewählt werden, dass während des Mischvorgangs keine vorzeitige Härtung eintritt. Die optimalen Härtungsbedingungen sind abhängig vom Mikrogel, von der Art und Menge des der stickstoffhaltigen Base, vom Epoxidharz und von der Dispergierungsform und können vom Fachmann in jedem Fall mit bekannten Methoden bestimmt werden.
Die Komponente (c), die als Feststoff vorliegt, wird mittels bekannter Methoden, wie z.B. durch einfaches Rühren oder durch Rühren unter Zuhilfenahme von Glaskugeln, im Epoxidharz (a) oder in einer Lösung des Epoxidharzes (a) dispergiert. Dabei wird zweckmässig unterhalb der Temperatur gearbeitet, bei der die Reaktion des Mikrogel-Amin- Salzes mit dem Epoxidharz einsetzt. Vorzugsweise wird bei Temperaturen unterhalb von 60 °C gearbeitet.
Die Komponente (c) kann auch im Härter (b) dispergiert werden. Die Härtung der erfindungsgemässen Epoxidharzzusammensetzungen zu Formkörpern, Beschichtungen oder dergleichen erfolgt in für die Epoxidharztechnik üblicher Weise, wie sie beispielsweise im "Handbook of Epoxy Resins", 1967, von H. Lee und K. Neville beschrieben wird.
Aufgrund der hohen Latenz der erfindungsgemässen Mikrogel-Amin-Salze weisen die härtbaren Zusammensetzungen eine hohe Lagerstabilität und eine lange Gebrauchsdauer auf, sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber starken mechanischen Einwirkungen (Scherbelastung, Druckbelastung). Die im Vergleich zu herkömmlichen Beschleunigern verbesserte Lagerstabilität erlaubt z.B. die Herstellung von 1 -Komponenten Epoxidharz/Härter-Systemen oder von solchen Epoxidharzsystemen, die eine verbesserte Lagerstabilität ohne Kühlung aufweisen und/oder bei höheren Temperaturen eine Plastifizierung ohne erheblichen Reaktionsfortschritt erlauben. Solche erfindungsgemässen Zusammensetzungen bleiben z.B. bei Plastifizierungsprozessen länger fliessfähig mit nur geringen Auswirkungen auf die Reaktivität bei der Härtungstemperatur.
Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen eignen sich prinzipiell in allen
Anwendungsgebieten, bei denen Epoxidharze mit Polyolen gehärtet werden, z.B. als
Giessharze, Laminierharze, Klebstoffe, Pressmassen, Beschichtungsmassen,
Umhüllungssysteme oder als Keramikersatz. Es sind dies beispielsweise:
Die Enkapsulierung und Imprägnierung von elektrischen Bauteilen wie z.B. Spulen, Schalter,
Relais, Transformatoren, Durchführungen, Printermagnete, Sensoren, Statoren und
Rotoren, ferner zur Herstellung von diversen mechanischen Bauteilen, wie z.B. Gehäuse,
Scheinwerfern, Kollektoren, Pumpen und Ventileteile, Druckgehäuse, Flansche,
Schaltstangen und Isolationen. Gegenstand vorliegender Erfindung sind daher auch die vernetzten Produkte, wie beispielsweise Formstoffe, Beschichtungen oder Verklebungen, erhältlich durch die Härtung einer erfindungsgemässen Zusammensetzung.
Beispiele:
1. Herstellung von Carbonsäureqruppen enthaltenden Mikroαelen
Beispiel 1 J : Mikrogel aus Methacrylsäure, Methylmethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat und Trimethylolpropantrimethacrylat Zunächst wird eine Monomermischung aus 17,05 g Methacrylsäure, 42,07 g Methylmethacrylat, 7,51 g Ethylenglykoldimethacrylat und 7,51 g Trimethylolpropantrimethacrylat hergestellt.
In einem Sulfierkolben, der mit Glassankerrührer, Thermometer, Gasanschluss und Dosierungsanschluss ausgerüstet ist, werden 2,25 g Natriumdodecylsulfat und 422,3 g deionisiertes Wasser unter Stickstoff gerührt (ca. 200 U/min) und auf 65°C (Innentemperatur) aufgeheizt. Anschliessend werden 7,4 ml der oben angegebenen Monomermischung und eine Lösung aus 0,033 g Natriumpersulfat in 0,6 ml deionisiertes Wasser zugegeben. Das so erhaltene Gemisch wird auf 65°C aufgeheizt und nach 15 min Rühren bei 65°C wird der Rest der Monomermischung innerhalb von ca. 1 h hinzugegeben. Nach weiteren 75 min Rühren bei 65°C wird eine Lösung aus 0,033 g Natriumpersulfat in 0,6 ml deionisiertes Wasser zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird weitere 5,5 h bei 65°C gerührt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wird der Inhalt des Reaktionsgefässes durch eine Papierfilter filtriert. Die so erhaltene Emulsion hat einen Festkörpergehalt von 14,3% und einen Säuregehalt von 0,408 mol/kg und kann direkt mit einem Amin oder Imidazol zu einem Mikrogel-Amin-Salz umgesetzt werden.
2. Herstellung von Mikrooel-Amin-Salzen
Beispiel 2J :
Zu 400 g der nach Beispiel 1 J hergestellten wässrigen Emulsion wird unter Rühren eine Lösung von 17,08 g 2-Ethyl-4-methylimidazol in 44 g Isopropanol zugegeben. Die so erhaltene Emulsion eines Mikrogel-Imidazol-Salzes wird sprühgetrocknet (Inlet-Temperatur: 132°C, Outlet-Temperatur: 85°C). Das Mikrogel-Imidazol-Pulver wird bei 70°C unter Vakuum (20 mbar) währen 8 h weiter getrocknet und weist einen Amingehalt von 1 ,96 mol/kg und einen Säuregehalt von 2,01 mol/kg auf.
3. Herstellung einer erfindungsgemässen Zusammensetzung und Vergleichsbeispile
Beispiel 3J (Erfindungsbeispiel)
334,40 g eines festen Epoxidkresolnovolakharzes mit einem Epoxidgehalt von 4,3 bis 4,9 mol/kg, 163,20 g eines Kresolnovolaks mit einem Hydroxylgehalt von 8,0 bis 9,0 mol/kg, erhältlich von der Firma Occidental Chem., Belgien, unter der Handelsbezeichnung Durez® 33009, 21 ,92 g Mikrogel-Imidazol-Beschleuniger gemass Beispiel 2J ; 562,08 g Wollastonit mit einer mittleren Korngröße kleiner als 4,5 μm, erhältlich von der Firma Nyco, USA, unter der Handelsbezeichnung Nyad® 1250; 488,00 g eines Quarz/Kaolinit-Gemisches mit einer mittleren Korngröße von 1 ,8 μm, erhältlich von der Firma Hoffmann & Söhne, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung Aktisil® EM; 6,40 g Russ (Elftex 460); 12,80 g OP Wachs 125 U der Firma Hoechst und 9,60 g Calciumstearat werden in einer Kugelmühle vermählen, anschließend auf einem Kalander (Schwabenthan) bei einer Temperatur von 100 bis 110°C kompoundiert und zu einem Granulat vermählen.
Zur Bestimmung der Viskosität bzw. Härtezeit unter Prozessbedingungen werden 34 g Granulat in einem Messkneter (Typ Brabender Piasticorder GU 1315/2 ) bei einer Schaufeldrehzahl von 30 rpm geprüft. Der sogenannte B-Wert (Drehmoment in Nm) dient hierbei als Mass für die Viskosität, der AD-Wert als Mass für die Härtezeit (Zeit von der Einfüllung der Probe bis zur Härtung in sec). Das Granulat ergibt folgende Werte:
Figure imgf000018_0001
Das Verhältnis zwischen den AD-Werten bei 120°C und 160°C ist 6,9 und weist damit eine gute Latenz nach.
Vom Granulat werden auf verchromten Werkzeugen ISO-Stäbe (80 x 10 x 4 mm) innerhalb von 4 min bei 170°C und Tg-Plättchen (60 x 10 x 1 mm) innerhalb von 3 min bei 170°C hergestellt. An den erhaltenen Formkörpern wurden folgende Eigenschaften gemessen:
Figure imgf000019_0001
Beispiel 3.2 (Vergleichsbeispiel)
Zum Vergleich zu Beispiel 3J wird ein Standardsystem hergestellt, dadurch gekennzeichnet das 2-Ethylimidazol als Beschleuniger anstelle des Mikrogel-Imidazol-Beschleunigers in Beispiel 3J verwendet wird. Ansonsten weist das Beispiel die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 3J auf. Das analog zu Beispiel 3J hergestellte Granulat weisst ein AD- Werteverhältnis von 3,4 auf.
Beispiel 3.3 (Vergleichsbeispiel: Verwendung eines Anhvdridhärters)
541 ,5 g eines festen Bisphenol A Epoxidharzes mit einem Epoxidgehalt von 1 ,68 bis 1 ,75
Äquivalenten/kg, 1088,3 g eines festen Bisphenol A Epoxidharzes mit einem Epoxidgehalt von 1 ,33 bis 1 ,40 Äquivalenten/kg, 285,0 g eines Anhydridhärters; 102,0 g Mikrogel-
Imidazol-Beschleuniger gemass Beispiel 1.2, 5378,3 g Quarz mit einer mittleren Korngröße kleiner als 7,0 μm, erhältlich von der Firma Sihelco, unter der Handelsbezeichnung B300,
30,0 g Russ (Elftex 460) und 75,0 g OP Wachs 125 U der Firma Hoechst werden in einer
Kugelmühle vermählen, anschließend auf einem Kneter (Werner und Pfleiderer) bei einer
Temperatur von bis 90°C kompoundiert und zu einem Granulat vermählen.
Zur Bestimmung der Viskosität bzw. Härtezeit unter Prozessbedingungen werden 34 g
Granulat in einem Messkneter (Typ Brabender Piasticorder GU 1315/2 ) bei einer
Schaufeldrehzahl von 30 rpm geprüft. Der sogenannte B-Wert dient hierbei als Mass für die
Viskosität, der AD-Wert als Mass für die Härtezeit (Zeit von der Einfüllung der Probe bis zur
Härtung in sec).
Das Granulat ergibt folgende Werte:
Figure imgf000019_0002
Das Verhältnis zwischen den AD-Werten bei 120°C und 160°C ist 5,5 und weist damit eine gute Latenz nach. Beispiel 3.4 (Vergleichsbeispiel)
Zum Vergleich zu Beispiel 3.3 wird ein Standardsystem hergestellt, dadurch gekennzeichnet das 2-Ethylimidazol als Beschleuniger anstelle des Mikrogel-Imidazol-Beschleunigers in Beispiel 3.3 verwendet wird. Ansonsten weist das Beispiel die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 3.3 auf. Das analog zu Beispiel 3.3 hergestellte Granulat weisst ein AD- Werteverhältnis von 4,5 auf.
Eine Übersicht der Zusammensetzungen und der jeweils ermittelten AD- Verhältnisse der Versuche 3J bis 3.4 zeigt die nachfolgende Tabelle:
Figure imgf000020_0001
Ein latentes Aushärtungsverhalten ist bei hochfunktionellen Systemen (Versuche 3J und 3.2, "Novolaksysteme") bestehend aus Epoxidnovolaken und Novolakhärtem grundsätzlich schwieriger einzustellen, als dies bei vergleichsweise weniger funktionellen Systemen (Versuche 3.3 und 3.4, "Anhydridsysteme") der Fall ist. Ursache dafür ist, dass bei hochfunktionellen Systemen eine signifikante Vernetzung bereits bei einem geringem Reaktionsfortschritt eintritt. Bei den Anhydridsystemen werden hingegen zunächst nur lineare Strukturen gebildet. Das dokumentiert sich bei den gemessenen AD-Verhältnissen als Mass für die Latenz dadurch, dass das AD-Verhältnis von 4.5 auf 3.4 sinkt (siehe Versuche 3.4 und 3.2). Die Tabelle zeigt weiterhin, dass bei einem Anhydridsystem ein verbessertes Latenzverhalten erzielt werden kann, indem ein Imidazol durch das erfindungsgemässe Mikrogel ersetzt wird. Das AD-Verhältnis verbessert sich hierbei von 4.5 auf 5.5. Überraschenderweise zeigt nun das erfindungsgemässe Novoiak/Mikrogel System (Versuch 3J ) ein deutlich latenteres Verhalten als erwartet. Für den Fachmann, der aus anwendungstechnischen Gründen ein weniger latentes System verwenden möchte, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, dass erfindungsgemässe System durch Hereinnahme von Komponenten, wie sie beispielsweise in den obigen Vergleichsbeispielen verwendet wurden, entsprechend den gewünschten Eigenschaften, herzustellen. Anwendungsbeispiele
4J Herstellung von Bauteilen durch das Spritzgussverfahren am Beispiel von
Scheinwerferreflektoren.
Die nach obigen Versuchen 3J (erfindungsgemäss) und 3.2 hergestellten Granulate werden im Plastifizierzylinder einer Spritzgussmaschine bei erhöhter Temperatur plastifiziert, wobei die Temperaturen für die Zone 1 und 2 jeweils 75°C und für die Zone 3 90°C betragen.
Unter diesen Bedingungen muss bei Verwendung des nach 3.2 hergestellten Systems bei
Zyklusunterbrechungen von mehr als 60 Sekunden bereits ein Leerfahren der
Plastifiziereinheit der Spritzgussanlage mit anschliessendem Neuanfahren erfolgen. Bei
Verwendung des erfindungsgemässen Systems kann auch nach Unterbrüchen von bis zu 5
Minuten ohne Reinigungsschritt weiterproduziert werden.
Bei der Herstellung von Scheinwerferreflektoren im Spritzgussverfahren können
Überspritzungen und Entformungsrückstände insbesondere auf der stark strukturierten
Reflektorrückwand immer wieder ein gesondertes Ausblasen oder Reinigen der Form erforderlich machen. Diese Schwankungen zwischen den Schüssen können von einem latenten Material, wie in Versuch 3J beschrieben, besser toleriert werden, da im
Plastifizierzylinder nur ein geringer Reaktionsfortschritt stattfindet. Somit kann ein stabilerer
Prozess mit weniger Abfall gefahren werden.
4.2 Imprägnierende Formmasse am Beispiel der Imprägnierung von Spulen a) Herstellung der Imprägnierungsmasse
464,8 g Wollastonit mit einer mittleren Korngröße kleiner als 2 μm (mesh grade 200, erhältlich von der Firma Nyco, USA, unter der Handelsbezeichnung Nyad® 200) und 2,3 g
Silanhaftvermittler Silan Silquest® A-187 30 Minuten lang mit einer Kugelmühle vermählen.
Anschliessend werden die Komponenten
151 ,4 g eines festen Epoxidkresolnovolakharzes mit einem Epoxidgehalt von 4,3 bis 4,6 mol/kg, 98,5 g eines festen Bisphenol A Epoxidharzes mit einem Epoxidgehalt von 2J5 bis
2,22 mol/kg, 109J g eines Kresolnovolaks mit einem Hydroxylgehalt von 8,0 bis 9,0 mol/kg, erhältlich von der Firma Occidental Chem., Belgien, unter der Handelsbezeichnung Durez®
33009, 6,7 g Mikrogel-Imidazol-Beschleuniger gemass Beispiel 2J , 0,2 g Russ (Elftex 460) und 17,0 g OP® Wachs 125 U der Firma Hoechst hinzugegeben und 3 Stunden lang in der
Kugelmühle vermählen.
Schliesslich werden
150 g gemahlene Glasfasern (mittlere Länge = 225 μm, mittlerer Durchmesser = 15 - 16 μm, erhältlich unter der Handelsbezeichnung Milled Glas® von der Firma Owens Corning, und die Gesamtzusammensetzung nochmals 30 Minuten lang vermählen. Die so erhaltenen Pulver werden anschliessend auf einem Kalander (Schwabenthan) bei einer Temperatur von 80 °C kompoundiert und zu einem Granulat verarbeitet.
b) Imprägnierung, Bestimmung der Imprägnierungstiefe. Beurteilung der Imprägniergüte Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Presswerkzeugs, mit dem die Testspulen in den nachfolgenden Beispielen imprägniert werden. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den in den Beispielen verwendete Spulenkörper und dessen Abmessungen.
Die Imprägnierung der Testspule erfolgt in allen Beispielen nach dem Prinzip der Spritzpressung (Transferpressen), wobei die in Fig. 1 schematisch dargestellte Testapparatur zur Anwendung kommt. Diese enthält zwei voneinander trennbare Teile (1) und (6). Das erste Teil (1) weist einen Spritzraum (2) zur Aufnahme einer Tablette (11), bestehend aus der erfindungsgemässen Imprägnierzusammensetzung, den Transferkolben (3), die Kavität (4) und eine Bohrung (5) zur Aufnahme eines Temperaturfühler auf. Das zweite Teil (6) enthält einen Kern (7) zur Halterung der zu imprägnierenden Spule (10), eine Vorrichtung (8) zum Entfernen der fertig imprägnierten Spule vom Kern (7) sowie einen Anschluss (9) zur Evakuierung der Kavität (4). Eine auf ca. 110°C vorgewärmte Spule (10) mit den in Fig. 2 angegebenen Abmessungen, die in allen Kammern eine Wicklung aus Kupferdraht eines Durchmessers von 94 mm mit einer Wicklungsdichte von ca. 100 Windungen pro mm2 aufweist, wobei die Wicklungsdicke von der obersten Kammer zur untersten Kammer von ca. 3,5 auf ca. 5,5 mm ansteigt, wird in die Kavität (4) des auf 180°C aufgeheizten Imprägnierwerkzeugs (1 ,6) eingebracht. Die granulatförmige Imprägnierzusammensetzung wird kalt zu einer Tablette verpresst und anschliessend mit Hilfe eines Hochfrequenzvorwärmgerätes auf ca. 70°C erwärmt. Die so vorgewärmte Tablette (11) wird in den Spritzraum (2) eingebracht und es wird ein Vakuum von ca. 30 mbar an der Kavität angelegt. Danach wird die Imprägniermasse mit Hilfe des Kolbens (3) während eines Zeitraums von ca. 15 s in die Kavität (4) transferiert (Spritzdruck zwischen 80 und 150 bar). Die anschliessende Härtungszeit beträgt 5 min. Danach wird die umhüllte und imprägnierte Spule entformt. Die entnommene Spule wird in Längsrichtung zersägt und poliert. Mit Hilfe eines Mikroskops wird die jeweils erreichte Imprägniertiefe vermessen und die Imprägniergüte optisch beurteilt. Die Imprägnierung gilt hierbei als "gut", wenn mehr als 95 Prozent des Raumes zwischen den Drahtwindungen einer Wicklung mit der Imprägniermasse gefüllt sind.
Gemass der beschriebenen Vorschrift wird 500 Gramm einer Imprägnierungsmasse obiger Zusammensetzung hergestellt und untersucht. Die Imprägnierungsmasse zeigt die folgenden Eigenschaften:
Figure imgf000023_0001
Mit der erfindungsgemässen Formulierung kann demnach eine ausgedehnte Imprägniertiefe von 4 mm unter Erhalt einer guten Imprägniergüte erreicht werden. Eine für das Entformen der Spule notwendige Shore D - Härte von 70 wird bereits nach 3 min erreicht. Eine Senkung von Produktionskosten kann durch derart schnell härtende Formmassen erreicht werden.
4.3 Mehrstufiger Aufbau einer Stabzündspule
Die Industrie verlangt zunehmend kleinere Durchmesser bei der Herstellung von Stabzündspulen. Damit wird das Umhüllen und Imprägnieren insbesondere der inneren Spule in einem sogenannten "One-Shot"-Verfahren immer schwieriger. Dies gilt insbesondere, da die Vermeidung von Lufteinschlüssen und eine gleichmässige Verteilung der Formmasse zwingende Bedingung sind.
Durch die in Abschnitt 4.2 beschriebenen guten Imprägniereigenschaften der erfindungsgemässen Formmassen ist es möglich, Stabzündspulen mehrstufig aufzubauen. Zunächst kann der Metallkern einer Spule mit der Formmasse so umhüllt werden, dass die Aussenkontur einen Spulenkörper für die innenliegende Wicklung einer Stabzündspule bildet (siehe Fig. 3; Formmasse entspricht der schwarzen Zone).
Nach Aufbringen der Drahtwicklung kann diese in einem zweiten Schritt imprägnierend umhüllt werden. Bei dem inneren Spulenkörper kann es sich sowohl um die primäre als auch um die sekundäre Wicklung handeln, wie es in der unteren bzw. oberen Hälfte der Zeichnung angedeutet ist. Die äussere Kontur des Formkörpers bildet den Spulenkörper für die zweite, entsprechend komplementäre Wicklung, (siehe Fig. 4; Formmasse entspricht der schwarzen Zone) ln einem dritten Schritt kann nun auch die äussere Wicklung imprägniert und umhüllt werden. Die äussere Form ist identisch mit der Aussenkontur der Stabzündspule, vorausgesetzt, dass nicht weitere Aufbauten z.B. zur elektrischen Abschirmung vorgesehen sind (siehe Fig. 5; Formmasse entspricht der schraffierten Zone).
Die Industrie verlangt zunehmend kleinere Durchmesser bei der Herstellung von Stabspulen. Damit wird das Umhüllen und Imprägnieren insbesondere der inneren Spule in einem sogenannten "One-Shot"-Verfahren immer schwieriger. Dies gilt insbesondere, da die Vermeidung von Lufteinschlüssen und eine gleichmässige Verteilung der Formmasse zwingende Bedingung sind.
Ein mehrstufiges Verfahren hat nun zum einen den Vorteil, dass sich sehr kleine Abstände zwischen innerer und äusserer Spule bei hoher Designfreiheit zum Beispiel beim Drahtdurchmesser oder bei der Art und Lage der Wicklungen realisieren lassen. Zum anderen können die heute üblichen thermoplastischen Spulenkörper durch die erfindungsgemässe Formmasse ersetzt werden, was eine Reduzierung der dielektrischen Übergänge und damit potentieller Teilentladungen bewirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Zusammensetzung enthaltend
(a) ein Epoxidharz mit durchschnittlich mehr als einer 1 ,2-Epoxidgruppe pro Molekül,
(b) ein Polyol als Epoxidharzhärtungsmittel und
(c) ein festes Reaktionsprodukt aus einem Carbonsäuregruppen enthaltenden Mikrogel und einer stickstoffhaltigen Base (Mikrogel-Amin-Addukt) als Beschleuniger.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als Epoxidharz (a) ein aromatisches Epoxidharz.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als Epoxidharz (a) einen Bisphenoldiglycidylether oder einen Epoxynovolak.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als Epoxidharz (a) einen Epoxyphenol- oder einen Epoxykresolnovolak.
5. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als Epoxidharzhärtungsmittel (b) einen Kresolnovolak.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als festes Mikrogel-Amin-Addukt (c) ein Copolymer aus mindestens einer ungesättigten Carbonsäure und mindestens einem mehrfunktionellen Vernetzer.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als zusätzliche Komponente (d) einen Füllstoff.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als zusätzliche Komponente (d) 1 bis 80 Gew.-% Füllstoff, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d).
9. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als Komponente (d) 1 bis 80 Gew.-% Wollastonit, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d), mit einer mittleren Teilchengrösse kleiner als 50 μm.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als zusätzliche Komponente (d) 25 bis 40 Gew.-% Wollastonit, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d), mit einer mittleren Teilchengrösse kleiner als 5 μm.
11. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als zusätzliche Komponente (d) 1 bis 80 Gew.-% Quarz/Kaolinit-Gemisch bezogen auf die Gesamtzusammensetzung bestehend aus den Komponenten (a), (b), (c) und (d), mit einer mittleren Teilchengrösse kleiner als 50 μm und einem Gewichtsverhältnis Quarz zu Kaolinit von 5 zu 95 bis 95 zu 5.
12. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , enthaltend als zusätzliche Komponente (d) 25 bis 40 Gew.-% Quarz/Kaolinit-Gemisch mit einer mittleren Teilchengrösse kleiner als 5 μm und einem Gewichtsverhältnis Quarz zu Kaolinit von 20 zu 80 bis 80 zu 20.
13. Vernetzte Produkte, dadurch erhältlich, dass eine Zusammensetzung gemass einem der Ansprüche 1 bis 12 gehärtet wird.
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