ВОДНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2011 года по МПК C09D175/04 C08G18/10 C08G18/82 C08J3/07 

Изобретение относится к способу получения водного средства для нанесения покрытия и к полученному при этом средству для нанесения покрытия или лаку, а также к применению средства для нанесения покрытия в качестве связующего в однокомпонентных и двухкомпонентных системах, а также к получению покрытий для впитывающих основ.

Водное средство для нанесения покрытия по изобретению представляет собой, в особенности, не содержащее растворителя водное средство на основе дисперсии полиуретана, обладающее улучшенными пленкообразующими свойствами.

С целью уменьшения эмиссии органического растворителя все больше используют водные средства для нанесения покрытия вместо систем, содержащих растворители. Важным классом водных связующих для лаков являются уже известные в технике широко описанные полиуретановые дисперсии. Не содержащие растворителей полиуретановые дисперсии (в последующем называемые ПУД) могут быть получены по ацетоновому способу или способом смешанной предполимеризации. Правда, особенно для ПУД, которые должны образовывать более твердые пленочные покрытия при комнатной или более низкой температуре, необходим агент коалесценции, понижающий минимальную температуру пленкообразования.

Во многих случаях применения при введении растворителя используют N-метилпирролидон, так как он не вступает в реакцию с изоцианатными группами и поэтому пригоден для снижения вязкости при получении предполимера. Кроме того, N-метилпирролидон в состоянии растворять часто используемую в химии ПУД диметилолпропионовую кислоту. Благодаря этому гарантируется, что в структуру полиуретана вводится достаточно много гидрофильных центров в форме карбокислатных групп. Однако указывается, что N-метилпирролидон классифицируется как вещество, вредное для фруктов и, следовательно, для этого растворителя требуется замена.

В немецкой заявке на патент DE-A 3613492 описан способ для получения не содержащих сорастворителя дисперсий по, так называемому, ацетоновому способу. При этом получают 20-50%-ный раствор гидрофильного полиуретана с уже удлиненной цепью в органическом растворителе, например в ацетоне, а затем переводят его в дисперсию посредством добавления воды. Эти дисперсии, предпочтительно, содержат также неионогенные гидрофилизирующие средства и могут после сушки при комнатной температуре образовывать твердые прозрачные пленки. Если требуется снижение температуры пленкообразования или медленная сушка, то совместно используют растворитель коалесценции, такой как диацетон-спирт, N-метилпирролидон, монобутиловый эфир этиленгликоля или монобутиловый эфир диэтиленгликоля, в количестве менее 5 мас.% (от дисперсии) (столбец 11, строки 58-65). Недостатком этих систем является то, что продукты не обладают достаточной устойчивостью к воде и этанолу и не предоставляют достаточного окна переработки для применения растворителей коалесценции. Недостатком этого способа является также сравнительно большое количество растворителя, который должен быть удален после стадии диспергирования отгонкой.

Задача настоящего изобретения состояла в получении исключительно ионных гидрофилизированных полиуретановых дисперсионных лаков, не содержащих растворителя и N-метилпирролидона. Кроме того, состав для нанесения покрытия по изобретению должен обладать улучшенными пленкообразующими свойствами, а полученные из него покрытия должны обладать хорошей хемостойкостью, а также обладать твердостью по маятниковому прибору свыше 75 секунд.

Неожиданно эта задача смогла быть решена посредством получения жестких полиуретановых дисперсий, получаемых с использованием низкокипящего растворителя, удаляемого после диспергирования отгонкой с последующим смешением с высококипящими (температура кипения >150°С) простыми эфирами этилен- или пропилен-гликоля и, при необходимости, с загустителями и/или средствами, способствующими розливу, и/или пеногасителями и/или другими вспомогательными средствами для лаков. Эти содержащие растворитель дисперсионные лаки лучше образуют пленки, особенно, на впитывающих подложках, чем лаки с другими сорастворителями, такими, например, как N-метилпирролидон, используемыми в тех же количествах. Дисперсии, содержащие гликолевый сорастворитель, обладают минимальной температурой пленкообразования ниже 20°С и образуют твердые особо высококачественные покрытия с очень хорошей пленочной оптикой, которые могут также наноситься на впитывающие основы, такие как дерево.

Поэтому объектом настоящего изобретения является способ получения водного средства для нанесения покрытия, отличающийся тем, что

I) получают не содержащую растворителя и N-метилпирролидона полиуретановую дисперсию, причем

I.1) сначала на первой стадии получают раствор предполимера изоцианата (NCO-предполимера) в имеющем при нормальном давлении температуру кипения ниже 100°С растворителе с концентрацией от 66 до 98 мас.% посредством взаимодействия:

a) одного или нескольких полиизоцианатов,

b) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 500 до 6000,

c) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 62 до 500,

d) одного или нескольких соединений, содержащих ионную группу или способных образовывать ионную группу;

I.2) на второй стадии изоцианатный предполимер (NCO-предполимер) I.1) диспергируют в воде, причем перед, во время или после диспергирования осуществляют, по меньшей мере, частичную нейтрализацию ионных групп;

I.3) на третьей стадии осуществляют удлинение цепи

е) посредством одного или нескольких полиаминов со средней молекулярной массой М_n ниже 500;

I.4) на четвертой стадии полностью удаляют растворитель отгонкой и в заключение

II) прибавляют в полиуретановую дисперсию (I) от 1 до 7 мас.% простых этилен- или пропиленгликолевых эфиров, а также

III) других добавок для лаков совместно или раздельно.

Объектом настоящего изобретения являются также водное средство для нанесения покрытия, полученное способом по изобретению.

Полиуретановая дисперсия по изобретению предпочтительно имеет содержание жесткого сегмента (HS) от 50 до 85 мас.%, особенно предпочтительно, от 55 до 75 мас.%, причем количество изоцианата составляет между 35 и 55 мас.% от содержания твердого вещества, предпочтительно, между 39 и 50 мас.%. Кислотное число твердой смолы составляет между 12 и 30 мг КОН/г твердой смолы, предпочтительно, между 15 и 28 мг КОН/г твердой смолы. Содержание жесткого сегмента рассчитывается следующим образом:

В качестве компонента а) пригодны обычно используемые в химии полиуретанов полиизоцианаты, такие, например, как диизоцианаты формулы R¹(NCO)₂, причем R¹ означает алифатический углеводородный радикал с 4-12 атомами углерода, циклоалифатический углеводородный радикал с 6-15 атомами углерода, ароматический углеводородный радикал с 6-15 атомами углерода или аралифатический углеводородный радикал с 7-15 атомами углерода. Примерами предпочтительных диизоцианатов являются тетраметилендиизоцианат, гексаметилен-диизоцианат, 4,4'-диизоцианатодифенилметан, 2,4'-диизоцианато-дифенилметан, 2,4-диизоцианатотолуол, 2,6-диизоцианатотолуол или α,α,α',α'-тетраметил-м- или п-ксилилендиизоцианат, а также смеси названных диизоцианатов. Особенно предпочтительными диизоцианатами являются 1-изоцианато-3,3,5-триметил-5-изоцианато-метилциклогексан (изофорондиизоцианат) и 4,4'-диизоцианатодицикло-гексилметан.

В случае необходимости, может использоваться небольшое количество, например, трех и/или более высокоатомных изоцианатов, чтобы обеспечить некоторую степень разветвления или сшивки полиуретана. Количество добавляемого полиизоцианата рассчитывается исходя из его функциональности и определяется таким образом, чтобы предполимер изоцианата (NСО-предполимер) оставался бы еще способным к перемешиванию и диспергированию. Получают, например, такие изоцианаты, у которых двухатомные изоцианаты взаимодействуют друг с другом с превращением части их изоцианатных групп в изоциануратные, биуретовые, аллофанатные, уретдионовые или карбодиимидные группы. Пригодны также такие полиизоцианаты, гидрофилизированные посредством ионных групп. Примеры таких изоцианатов описаны в европейском патенте ЕР-А 510438, в котором полиизоцианаты подвергают взаимодействию с гидроксилсодержащими карбоксильными соединениями. Гидрофилизированные полиизоцианаты получают, кроме того, взаимодействием полиизоцианатов с реакционноспособными по отношению к изоцианатам соединениям, содержащим сернокислотные группы. Такие полиизоцианаты могут иметь высокую функциональность, например, выше 3.

Пригодные полимерные полиолы b) имеют молекулярную массу (М_n) в пределах от 500 до 6000, предпочтительно, от 500 до 3000 и, наиболее предпочтительно, от 650 до 2500. Гидроксильная функциональность (ОН-функциональность) их составляет, по меньшей мере, от 1,8 до 3, предпочтительно, от 1,9 до 2,2 и, наиболее предпочтительно, от 1,92 до 2,0. В отношении полиолов речь идет, например, о сложных полиэфирах, о простых полиэфирах на основе окиси пропилена и/или тетрагидрофурана, поликарбонатах, полиэфиркарбонатах, полиацеталях, полиолефинах, полиакрилатах и полисилоксанах. Предпочтительно, используют сложные полиэфиры, простые полиэфиры, полиэфир-карбонаты и поликарбонаты. Особенно пригодны бифункциональные простые и сложные полиэфиры, полиэфиркарбонаты и поликарбонаты. Пригодны также смеси описанных полимерных полиолов b).

В смеси с названными полиолами b) могут дополнительно использоваться содержащие жирную кислоту сложные полиэфиры b1), получаемые реакцией этерификации или переэтерификации высыхающих и/или не высыхающих жирных кислот или масел, по меньшей мере, с бифункциональными полиольными соединениями, такие, например, как описаны в европейской заявке на патент ЕР-А 0017199 (с.10, строка 27 - с.11, строка 31). В качестве полиольных соединений используют, предпочтительно, три- и тетрафункциональные гидроксильные компоненты, такие, например, как триметилолэтан, триметилолпропан, глицерин или пентаэритритол.

В качестве полиола b1) пригодно также частично дегидратизированное касторовое масло, получаемое термической обработкой касторового масла в присутствии кислых катализаторов и описанное в европейской заявке на патент ЕР-А 0709414 (с.2, строки 37-40).

В качестве полиола b1) пригодны также такие полиолы, как описаны в немецкой заявке на патенте DE-A 19930961 (с.2, строки 46-54; с.2, строка 67 - с.3, строка 3). В этом патенте алифатические и циклоалифатические монокарбоновые кислоты с 8-30 атомами углерода, такие, например, как олеиновая кислота, лауриновая кислота, линолевая кислота или линоленовая кислота, подвергают взаимодействию с касторовым маслом в присутствии глицерина.

Кроме того, в качестве полиола b1) пригодны продукты переэтерификации касторового масла и одного или нескольких других триглицеридов.

Особенно пригодными в качестве компонента b1) являются статистически усредненные относительно гидроксильных групп бифункциональные содержащие жирную кислоту компоненты, содержащие звенья глицерина или триметилолпропана. При этом особенно пригодны продукты переэтерификации со средней гидроксильной функциональностью 2 из касторового масла с другим маслом, отличающимся от касторового масла. Содержащий жирную кислоту полиэфир b1) используют, предпочтительно, с полиолами b), имеющими молекулярную массу (М_n) от 650 до 2500 г/моль и гидроксильную функциональность от 1,92 до 2. Содержащий жирную кислоту полиэфир b1), используют, особенно предпочтительно, с полиолами b), имеющими молекулярную массу (М_n) от 650 до 2500 г/моль и гидроксильную функциональность от 1,92 до 2, выбранными из группы: сложный эфир, простой эфир, карбонаты или эфиркарбонаты.

Низкомолекулярные полиолы с) с молекулярной массой (М_n) от 62 до 500, предпочтительно, от 62 до 400 и, особенно предпочтительно, от 90 до 300 являются обычно используемыми в химии полиуретанов бифункциональными спиртами, такими, например, как этандиол, 1,2- и 1,3-пропан-диол, 1,2-, 1,3- и 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,6- гександиол, неопен-тилгликоль, циклогексан-1,4-диметанол, 1,2- и 1,4-циклогександиол, 2-этил-2-бутилпропандиол, диолы, содержащие эфирный кислород простого эфира, такие, например, как диэтиленгликоль, триэтиленгликль, тетраэтиленгликоль, дипропиленгликоль, трипропиленгликоль, полиэтилен-, полипропилен- или полибутиленгликоли, а также смеси этих продуктов. Частично могут также использоваться монофункциональные спирты с 2-22 атомами углерода, предпочтительно с 2-18 атомами углерода. К ним относятся, например, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол, первичный бутанол, вторичный бутанол, н-гексанол и их изомеры, 2-этил-гексиловый спирт, монометиловый эфир этилен гликоля, монометиловый эфир диэтиленгликоля, монобутиловый эфир этиленгликоля, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, монометиловый эфир пропилен-гликоля, монометиловый эфир дипропиленгликоля, монометиловый эфир трипропиленгликоля, монобутиловый эфир пропиленгликоля, монобутиловый эфир дипропиленгликоля, монобутиловый эфир трипропиленгликоля, 1-октанол, 1-додеканол, 1-гексадеканол, лауриловый спирт и стеариловый спирт.

Частично могут использоваться три- и более высокофункциональные спирты с указанными предельными значениями молекулярной массы в таком количестве, при котором полимерный раствор остается способным к перемешиванию.

В качестве нейтрализующих компонентов для анионных дисперсий пригодны известные специалисту третичные амины, аммиак, а также гидроокиси щелочных металлов. Катионные смолы переводят посредством протонирования или кватернизации в водорастворимую форму.

В качестве компонента а) пригодны низкомолекулярные соединения, содержащие ионные группы или способные образовывать ионные группы, такие, например, как диметилолпропионовая кислота, диметилол-масляная кислота, гидроксипивалиновая кислота, продукты взаимодействия (мет)акриловой кислоты и полиаминов (например, немецкая заявка на патент DE-A-19750186 (с.2, строки 52-57) или содержащие сульфонатные группы полиольные компоненты, такие, например, как пропоксилированный продукт присоединения гидросульфита натрия к 2-бутендиолу или описанный в европейской заявке на патент ЕР-А 0364331 (с.6, строки 1-6) полиэфир, полученный из солей сульфоизофталевой кислоты. Кроме того, пригодны гидроксилсодержащие соединения, которые содержат катионные группы или звенья, способные превращаться в катионные группы, такие, например, как N-метилдиэтаноламин. Предпочтительными являются компоненты, содержащие карбоксильные группы карбоновой кислоты. Особенно предпочтительной является диметилолпропионовая кислота.

Предпочтительно, изоцианатный предполимер (NСО-предполимер) не содержит неионогенного гидрофилизирующего средства.

В качестве удлинителя цепи е) пригодны аминополиолы или полиамины с молекулярной массой менее 500, такие, например, как гидразин, этилендиамин, 1,4-диаминобутан, изофорондиамин, 4,4'-диамино-дициклогексилметан, этаноламин, диэтаноламин, пиперазин или диэтилентриамин.

Помимо использования реакционноспособных по отношению к изоцианатам соединений может также использоваться реакция обрыва цепи предполимеров полиуретана монофункциональными спиртами или аминами с целью регулирования молекулярной массы полиуретана. Предпочтительными соединениями являются алифатические моноспирты или моноамины с 1-18 атомами углерода. Особенно предпочтительно используют этанол, н-бутанол, монобутиловый эфир этилен гликоля, 2-этилгексанол, 1-октанол, 1-додеканол, 1-гексадеканол или N-диалкил-амины.

В качестве растворителя для получения полиуретановой дисперсии I) пригодны такие растворители, которые при нормальном давлении кипят ниже 100°С, не содержат реакционноспособных по отношению к изоцианатам групп и, кроме того, являются водорастворимыми. Помимо этого, растворитель должен удаляться из полученной дисперсии отгонкой. Примерами такого растворителя являются ацетон, метилэтилкетон, трет.бутилметиловый эфир или тетрагидрофуран.

Получение не содержащих растворителя водных полиуретановых дисперсий протекает в четыре стадии. Сначала осуществляют получение изоцианатного предполимера (NCO-предполимера) взаимодействием избытка компонента а) с компонентами b), с) и d). При этом изоцианатный предполимер должен иметь изоцианатную функциональность (NCO-функциональность) менее 2,3. Растворитель может добавляться перед, во время или после предполимеризации в количестве, достаточном для образования 66-98%-ного раствора, предпочтительно, 75-95%-ного раствора. Необходимое для нейтрализации потенциально ионных групп нейтрализующее средство может присутствовать уже к началу реакции, но оно должно добавляться не позднее, однако, добавления готового предполимера, поскольку не добавляют воду для диспергирования. Количество нейтрализующего амина перед диспергированием также можно разделить между органической и водной фазой. На второй стадии осуществляют диспергирование. При этом добавляют воду к смоле или, наоборот, смолу в воду при достаточно интенсивном перемешивании. На третьей стадии осуществляют удлинение цепи полимера, причем количество азотсодержащих реакционноспособных по отношению к изоцианатам компонентов е) определяют таким, чтобы могло вступить в реакцию от 25 до 105%, предпочтительно, от 55 до 100%, наиболее предпочтительно, от 60 до 90% изоцианатных групп. Остальные изоцианатные группы реагируют с присутствующей водой при удлинении цепи. Полное дистилляционное удаление растворителя осуществляют, преимущественно, в вакууме на четвертой стадии.

Термин «не содержащая растворителя» в настоящей заявке означает, что дисперсия содержит ≤0,9 мас.%, предпочтительно, ≤0,5 мас.% и, наиболее предпочтительно, ≤0,3 мас.% растворителя.

Содержание твердого вещества в не содержащей растворителя дисперсии составляет от 25 до 65 мас.%, предпочтительно, от 30 до 50 мас.% и, наиболее предпочтительно, от 34 до 45 мас.%.

Для получения согласно изобретению средства для нанесения покрытия смешивают не содержащую растворителя дисперсию с 1-7 мас.%, предпочтительно, с 1-5 мас.% от массы дисперсии I) моногидроксилфункционального этилен- или пропиленгликолевого простого эфира II) или смеси таких эфиров II). Примерами таких моногидроксилфункциональных этилен- или пропилен-гликолевых простых эфиров являются метиловый эфир этилгликоля, этиловый эфир этилгликоля, этиловый эфир диэтилгликоля, метиловый эфир диэтилгликоля, метиловый эфир триэтил гликоля, бутилгликоль, бутилд и гликоль, метиловый эфир пропиленгликоля, метиловый эфир дипропиленгликоля, метиловый эфир трипропиленгликоля, бутиловый эфир пропиленгликоля, монопропиловый эфир пропиленгликоля, монопропиловый эфир дипропиленгликоля, фениловый эфир пропиленгликоля и фениловый эфир этиленгликоля. Предпочтительными являются монометиловый эфир этилгликоля, бутилгликоль, бутилдигликоль, монометиловый эфир пропилленгликоля и монобутиловый эфир пропиленгликоля.

Эфир или смесь эфиров, предпочтительно, добавляют при перемешивании в виде водного раствора, так как компоненты являются водорастворимыми. Не растворимые в воде компоненты добавляют в дисперсию медленно при перемешивании. Частично могут использоваться также эфиры этилен- или пропиленовых гликолей, не содержащие гидроксильных групп, такие, например, как диметиловый эфир этилгликоля, диметиловый эфир триэтилгликоля, диметиловый эфир диэтилгликоля или Proglyde® DMM (диметиловый эфир дипропиленгликоля), фирма Dow Chemical (Schwalbach, Германия).

В содержащее сорастворитель средство для нанесения покрытия в заключение добавляют еще добавки для лаков (III). Ими являются, например, пеногасители, деаэраторы, загустители, добавки, улучшающие розлив, или поверхностно-активные вещества.

Обычно употребляемые коммерческие пеногасители вводят, предпочтительно, сначала при перемешивании. К ним относятся минеральные масла, силиконовые пеногасители, полимерные не содержащие силиконов пеногасители, а также полиэфирсилоксановые сополимеры.

В качестве деаэраторов используют полиакрилаты, диметилполи-силоксаны, органически модифицированные полисилоксаны, такие, например, как полиоксиалкилдиметилсилоксаны, а также фторсиликоны.

Кроме того, используют загустители, способствующие регулированию вязкости средства для нанесения покрытия по изобретению, соответственно способу нанесения покрытия. В качестве загустителя пригодны обычно употребляемые коммерческие загустители, например, природные органические загустители, такие, например, декстрины или крахмалы, модифицированные органические природные вещества, например, простые эфиры целлюлозы или гидроксиэтилцеллюлоза, органические полностью синтетические загустители, например, (полимет)акриловые соединения или полиуретаны, а также неорганические загустители, например, бентониты и кремниевые кислоты. Предпочтительно используют органические полностью синтетические загустители. Наиболее предпочтительно, используются акрилатные загустители, которые перед добавлением, при необходимости, дополнительно разбавляют водой.

Могут также добавляться средства, улучшающие розлив, и поверхностно-активные вещества, такие как силиконы, ионогенные или неионогенные акрилаты или низкомолекулярные полимеры.

Могут быть также добавлены в качестве смачивателей для (основы) силиконовые поверхностно-активные вещества, такие, например, как полиэфирмодифицированные полидиметилсилоксаны.

Добавление компонентов II) и III) может осуществляться со сдвигом по времени, как описано выше. Однако они могут также добавляться одновременно, в этом случае в полиуретановую дисперсию совместно добавляют либо эфирсодержащий растворитель и добавки для лака, либо смесь эфирсодержащих растворителей и добавки для лаков. В дисперсию II) может быть добавлена также смесь добавок III) и эфирсодержащих растворителей II).

Получение лака осуществляют при температуре между 5 и 50°С, предпочтительно, между 20 и 35°С.

Полученное средство для нанесения покрытия по изобретению может наноситься в виде физически высыхающей однокомпонентной (1К)-системы или также в виде двухкомпонентной (2К)-системы.

Поэтому объектом настоящего изобретения является также применения водного средства для нанесения покрытия по изобретению в качестве связующего в однокомпонентных (1К)-системах или в качестве компонента-связующего в двухкомпонентной (2К)-системе.

Отверждение 2К-систем дисперсий по изобретению проводят, предпочтительно, известными специалисту гидрофильными и/или гидрофобными полиизоцианатами для лаков. При использовании полиизоцианатов для лаков может потребоваться дополнительное разбавление их сорастворителями с целью достижения хорошего перемешивания полиизоцианатов с дисперсией. В качестве растворителя используют для этого не способные взаимодействовать с изоцианатными группами растворители, такие, например, как диметиловый эфир этилгликоля, диметиловый эфир триэтилгликоля, диметиловый эфир диэтилгликоля, Proglyde® DMM (диметиловый эфир дипропиленгликоля), бутилацетат, метоксибутилацетат или двухосновные сложные эфиры, например, предлагаемые фирмой DuPont.

Средство для нанесения покрытия по изобретению может быть нанесено на любые субстраты, например, на дерево, металл, пластики, бумагу, кожу, текстиль, войлок (сукно), стекло или на минеральные основы, а также на основы с покрытиями. Особенно предпочтительным является использование водных средств для нанесения покрытия для получения покрытий по впитывающим подложкам, таким как дерево или минеральные подложки с открытыми порами.

Средства для нанесения покрытий по изобретению могут использоваться сами по себе или в сочетании с другими известными в технологии лаков вспомогательными веществами и добавками, такими, например, как наполнители и пигменты.

Нанесение средства для получения покрытия, содержащего полиуретановую дисперсию по изобретению, может осуществляться известными методами, например, кистью, отливом, раклей, шприцеванием, распылением, центрифугированием, вальцами или погружением.

Примеры

Таблица 1:
Использованные компоненты Торговое наименование Название Изготовитель Desmodur® W 4,4'-диизоцианато-дициклогексилметан Bayer AG, Leverkusen, Германия Desmodur® I Изофорондиизоцианат Bayer AG, Leverkusen, Германия Bayhydur® VP LS 2236 Гидрофилизированный полиизоцианат; 16,2 мас.% NCO Bayer AG, Leverkusen, Германия Proglyde® DMM (диметиловый эфир дипропиленгликоля Диметиловый эфир дипропиленгликоля Dow Chemicals, Schwalbach, Германия Poly THF® Политетра метилен-гликоль, F=2, мол. масс.≈2000 г/мол BASF, Ludwigshafen, Германия Byk® 381 Средство, улучшающее розлив Byk Chemie, Wesel, Германия Byk® 346 Смачиватель Byk Chemie, Wesel, Германия Byk® 028 Пеногаситель Byk Chemie, Wesel, Германия Acrysol® RM8 Загуститель, 5%-ный в воде Rohm&Haas, Frankfurt Германия Dowanol® TPnB Бутиловый эфир трипропиленгликоля DOW Chemicals, Schwalbach, Германия Dowanol® PnB Бутиловый эфир пропиленгликоля. DOW Chemicals, Schwalbach, Германия

Предварительная стадия получения олигомера сложного эфира.

В реакторе на 5 л с дистилляционной секцией загружали 3200 г касторового масла и 1600 г соевого масла, а также 2,0 г окиси дибутил-олова. Через реакционную смесь пропускали поток азота (5 л/ч). В течение 140 минут нагревали до 240°С и после выдержки в течение 6 часов при 240°С охлаждали. Гидроксильное число составляло 108 мг КОН/г, кислотное число - 2,5 мг КОН/г.

Дисперсия 1

205,5 г полиэфира (адипиновая кислота, 1,6-гександиол: гидроксильное число 66 мг КОН/г), 19 г диметилолпропионовой кислоты и 58,0 г 1,6-гександиола обезвоживали в вакууме при 110°С. Затем охлаждали до 55°С, последовательно смешивали с 124,2 г ацетона и 226,9 Desmodur® I и кипятили с обратным потоком (рефлюксом) до достижения содержания изоцианатных групп NCO 3,9 мас.% (теоретическое содержание NCO 4,0%). Вновь доводили до 55°С и прозрачный раствор смешивали с 12,9 г триэтиламина, который хорошо перемешивали. Весь нейтрализованный раствор предполимера (55°С) диспергировали в 770 г воды, которую добавляли при температуре 30°С при сильном перемешивании. После диспергирования продолжали перемешивать еще в течение 5 минут до истечения 5 минут добавляли раствор из 4,2 г гидрата гидразина и 9,2 г этилендиамина, растворенных в 90 г воды. В заключение этого удаляли полностью ацетон отгонкой при 40°С в вакууме (120 мбар). Для завершения реакции оставшихся изоцианатных групп перемешивали при 40°С до тех пор, пока инфракрасной спектроскопией (ИК-спектроскопией) не обнаруживалось больше содержания изоцианатных групп NCO. После охлаждения до 30°С фильтровали через фильтр Зейтца Т5500.

Технические характеристики полиуретановой дисперсии:

Средний размер частиц 60 нм (лазерно-корреляционная спектроскопия, LKS) рН (20°С) (10%-ный водный раствор): 7,8 содержание твердого вещества: 35,0% содержание жестких сегментов: 61% кислотное число (в расчете натвердую смолу): 15,5 мг КОН/г

Дисперсия 2

Смесь из 181,0 г PolyTHF® 2000, 140,3 г олигомера полиэфира с предварительной стадии, 37,2 г диметилолпропионовой кислоты и 18,3 г гександиола смешивали при 55°С с 98,9 г ацетона и 19,6 г триэтиламина и перемешивали. Добавляли 275,4 г Desmodur® W и кипятили реакционную смесь с обратным потоком (рефлюксом) до тех пор, пока содержание изоцианатных групп NCO не достигнет 4,3%. 500 г предполимера диспергировали при сильном перемешивании в 720 г воды, которую вводили при температуре 30°С. Через 5 минут добавляли в течение 5 минут раствор 4,2 г гидразингидрата и 6,2 г этилендиамина в 73 г воды. Для полного взаимодействия изоцианатных групп перемешивали при 45°С до тех пор, пока ИК-спектроскопия не показывала больше присутствия изоцианатных групп NCO. После охлаждения осуществляли фильтрацию через фильтр Зейтца Т5500.

Технические характеристики полиуретановой дисперсии:

Средний размер частиц (LKS): 55 нм рН (20°С) (10%-ный водный раствор): 8,4 содержание твердого вещества: 35,0% содержание жестких сегментов: 52% кислотное число (в расчете на твердую смолу): 23,3 мг КОН/г

Сравнительный пример 3 (с N-метилпирролидоном).

300,7 г полиэфира (адипиновая кислота, 1,6-гександиол; гидроксильное число 66 мг КОН/г), 27,8 г диметилолпропионовой кислоты и 84,8 г 1,6-гександиола обезвоживали в вакууме при 110°С. Затем охлаждали до 90°С и посредством добавления 181,7 г N-метилпирролидона (NMP*) получали прозрачный раствор, до 70°С добавляли 332,1 г Desmodur® I. При 90°С перемешивали до содержания изоцианатных групп NCO 3,8 мас.% (теоретическое содержание NCO 4,0 мас.%). Затем при 70°С добавляли 21,0 г триэтиламина и перемешивали еще 10 минут. 700 г нейтрализованного раствора диспергировали в 810 г воды, которую вводили при температуре 30°С, при сильном перемешивании. После диспергирования продолжали перемешивать еще 5 минут, до истечения 5 минут добавляли раствор 4,2 г гидразин гидрата и 9,2 г этилендиамина, растворенных в 90 г воды. Для взаимодействия изоцианатных групп перемешивали при 40°С до тех пор, пока ИК-спектроскопия не доказывала отсутствия изоцианатных групп NCO. После охлаждения до 30°С фильтровали через фильтр Зейтца Т5500.

Характеристики полиуретановой дисперсии:

Средний размер частиц (LKS): 60 нм рН (20°С) (10%-ный водный раствор): 7,8 содержание твердого вещества: 35,0% содержание сорастворителя*: 8,3% * Пытались уменьшить количество N-метилпирролидона, чтобы получить дисперсию с содержанием сорастворителя 5%, при этом не образуется высоковязкий расплав смолы, который не может уже быть полностью диспергирован.

Сравнительный пример 4 (с N-метилпирролидоном).

339 г PolyTHF® 200, 248 г полученного на предварительной стадии олигомера полиэфира, 70 г диметилолпропионовой кислоты, 34 г 1,6-гександиола и 186 г N-метилпирролидона нагревали до 70°С и перемешивали до образования прозрачного раствора. Затем добавляли 516 г Desmodur® W и нагревали до 100°С. При этой температуре перемешивали до содержания изоцианатных групп NCO 4,6% и затем охлаждали до 70°С. При этой температуре добавляли 39 г триэтиламина. 500 г этого раствора диспергировали при сильном перемешивании в 640 г воды, которую добавляли при температуре 30°С. После диспергирования перемешивали еще 5 минут. До истечения 5 минут добавляли раствор 4,1 г гидразингидрата и 10,2 г этилендиамина в 100 г воды. Для полного взаимодействия изоцианатных групп перемешивали при 45°С до тех пор, пока ИК-спектроскопией не обнаруживалось больше содержания изоцианатных групп. После охлаждения до 30°С фильтровали через фильтр Зейтца Т5500.

Характеристики полиуретановой дисперсии:

Средний размер частиц: 45 нм рН (20°С) (10%-ный водный раствор): 8,2 содержание твердого вещества: 35,0% содержание сорастворителя: 5,1%

Сравнительный пример 5

500 г полиэфира из адипиновой кислоты, а также 1,6-гександиола и неопентилгликоля (в молярном соотношении 0,65:0,35) с гидроксильным числом 66 и 59,0 г второго полиэфира из адипиновой кислоты, а также 1,6-гександиола с гидроксильным числом 133 смешивали с 31,5 г 1,4-бутандиола, 43 г простого полиэфира на основе продукта реакции смеси 84% окиси этилена и 16% окиси пропилена с н-бутанолом (гидроксильное число 26), 40,2 г диметилолпропионовой кислоты и 13,4 г триметилол-пропана и при 70°С осуществляли взаимодействие с 488,0 г Desmodur® I до содержания изоцианатных групп NCO в изоцианатном предполимере 7,3%. Полученный предполимер растворяли в 2420 г ацетона и при 30°С добавляли 30,3 г триэтиламина. Затем в раствор предполимера добавляли в течение 5 минут 24 г этилендиамина, 10,3 г диэтилентриамина и 310 г воды. После 15 минут перемешивания добавляли 2110 г при интенсивном перемешивании. Из полученной дисперсии удаляли ацетон при пониженном давлении.

Свойства полиуретановой дисперсии:

Средний размер частиц: 115 нм рН (20°С) (10%-ный водный раствор): 7,4 содержание твердого вещества: 35,0%

Пленкообразующие свойства дисперсий

Не содержащую сорастворителя дисперсию 2 разделяли на части и разбавляли различными смесями сорастворитель/вода или непосредственно сорастворителем (что отмечено в Таблице 2 знаком *), если сорастворитель не смешивался с водой. Полученные содержащие сорастворитель дисперсии наносили на стеклянную пластину раклей при толщине слоя влажной пленки 210 мкм. После высушивания пленки при 20°С оценивали результат (Таблица 2).

Для сравнения наносили сравнительную дисперсию 4 (содержание сорастворителя 5,1%) без других добавок при той же толщине пленки. После сушки получили гладкую прозрачную пленку без трещин (рисок).

Таблица 2:
Пленки, полученные добавлением различных количеств сорастворитель/вода из дисперсии 2, не содержащей сорастворителя. В качестве загустителя добавляли 2% (от массы дисперсии) 5%-ного раствора Acrysol® RM8. Сорастворитель 3% сорастворителя от массы дисперсии 5% сорастворителя от массы дисперсии Бутилгликоль Гладкая, без трещин (рисок) Гладкая, без трещин (рисок) Бутилдигликоль Гладкая, без трещин (рисок) Гладкая, без трещин (рисок) Трипропиленгликоль Гладкая, без трещин (рисок) Гладкая, без трещин (рисок) Dowanol® TPnB Гладкая, без трещин (рисок) Гладкая, без трещин (рисок) Dowanol® PnB Гладкая, без трещин (рисок) Гладкая, без трещин (рисок) N-метилпирролидон Много длинных трещин (рисок) Немного длинных трещин (рисок)

Исследовали пленкообразующие свойства, а также твердость различных дисперсий с различным содержанием сорастворителя (сорастворителей) (см. Таблицы 3 и 4). В качестве загустителя добавляли 2% (от массы дисперсии) 5%-ного раствора Acrysol® RM8. Устойчивость к этанолу и воде определяли на нанесенных на дерево пленках. Покрытия предварительно сушили в течение одного дня при комнатной температуре. Устойчивость к этанолу определяли пятиминутным наложением на покрытие пропитанного этанолом куска ваты. Вату покрывали небольшим химическим стаканом. Водостойкость определяли аналогичным образом, но воздействие на покрытие продолжалось в течение 24 ч.

Оценка устойчивости:

1 = плохо, разрушение покрытия;

5 = очень хорошо, покрытие не изменяется.

Таблица 3:
Пленкообразующие свойства и твердость.   Пример 1 Пример 1 Пример 2 Сравнительный пример 5 Дисперсия, г 100 100 89,3 100 Byk@ 346/Byk® 381, г 0,2/0,5 0,2/0,5 0,18/0,45 0,2/0,5 Сорастворитель бутилгликоль бутилгликоль бутилгликоль бутилгликоль Содержание сорастворителя, в % от массы дисперсии 3,7 4,8 4,0 3,7 Температура нанесения 20°С 4°С 20°С 20°С Оптика на сыром дереве очень хорошо очень хорошо очень хорошо очень хорошо Оптика на стекле очень хорошо очень хорошо очень хорошо очень хорошо Твердость по маятниковому прибору Кенига 2d/RT, 210 мкм во влажном состоянии 115 с 112 с 87 с 102 с Стойкость к этанолу 3 3 3-4 1 Водостойкость 4-5 4-5 5 1

Таблица 4:
Сравнение 2К-систем, разбавленных N-метилпирролидоном или бутилдигликолем. Дисперсия Пример 1 Пример 1 Пример 2 Пример 2 Количество дисперсии, г 76,8 г 76,8 г 75,3 г 75,3 г Bayhydur® VP LS 2336 65% в Proglyde® DMM 9,0 г 9,0 г 9,0 г 9,0 г N-метилпирролидон/вода   1,7 г/8,3 г   1,7 г/8,3 г Бутил дигликоль/вода 1,7 г/8,3 г   1,7 г/8,3 г   Byk® 028 1,0 1,0 1,0 1,0 Byk® 346 0,2 0,2 0,2 0,2 Byk® 381 0,5 0,5 0,5 0,5 Acrysol® РМ8/вода 1 г/1 г 1 г/1 г 1 г/1 г 1 г/1 г Содержание сорастворителя, в % 4,9 4,9 4,9 4,9 Температура нанесения 4°С 4°С 4°С 4°С Оптика на сыром дереве очень хорошо хорошо очень хорошо немного трещин (рисок) Оптика на стекле очень хорошо очень хорошо очень хорошо очень хорошо

Настоящее изобретение относится к способу получения водного средства для нанесения покрытия, а также к водному средству, полученному таким способом, и его применениям в качестве связующего в однокомпонентных (1К)-системах и двухкомпонентной (2К)-системе, и для получения покрытия на впитывающих подложках. Способ заключается в следующем: (I) получают свободную от растворителя и N-метилпирролидона полиуретановую дисперсию, при этом под свободной от растворителя дисперсией понимают дисперсию, содержащую меньше или равно 0,9 мас.% растворителя, и в заключение в полиуретановую дисперсию (I) добавляют совместно или раздельно (II) от 1 до 7 мас.% моногидроксилфункционального простого этилен- или пропиленгликолевого эфира, а также (III) другие добавки для лаков. Причем I.1) сначала на первой стадии получают раствор NCO-предполимера в имеющем при нормальном давлении температуру кипения ниже 100°С растворителе с концентрацией от 66 до 98 мас.% взаимодействием: (а) одного или нескольких полиизоцианатов, (b) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 500 до 6000, (с) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 62 до 500, (d) одного или нескольких соединений, содержащих ионную группу или способных к образованию ионной группы и NCO-предполимер свободен от неионогенного гидрофилизирующего средства; I.2) на второй стадии NCO-предполимер I.1) диспергируют в воде, причем перед, во время или после диспергирования осуществляют, по меньшей мере, частичную нейтрализацию ионных групп; I.3) на третьей стадии осуществляют удлинение цепи посредством (е) одного или нескольких полиаминов со средней молекулярной массой М_n ниже 500; и I.4) на четвертой стадии полностью удаляют растворитель отгонкой. Техническим результатом является получение водного средства для нанесения покрытия, обладающего улучшенными пленкообразующими свойствами, а также получение из него покрытий, обладающих хорошей хемостойкостью и твердостью по маятниковому прибору свыше 75 секунд. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ получения водного средства для нанесения покрытия, отличающийся тем, что
I) получают свободную от растворителя и N-метилпирролидона полиуретановую дисперсию, при этом под свободной от растворителя дисперсией понимают дисперсию, содержащую меньше или равно 0,9 мас.% растворителя, причем
I.1) сначала на первой стадии получают раствор NCO-предполимера в имеющем при нормальном давлении температуру кипения ниже 100°С растворителе с концентрацией от 66 до 98 мас.% взаимодействием:
a) одного или нескольких полиизоцианатов,
b) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 500 до 6000,
c) одного или нескольких полиолов со средней молекулярной массой М_n от 62 до 500,
d) одного или нескольких соединений, содержащих ионную группу или способных к образованию ионной группы и NCO-предполимер свободен от неионогенного гидрофилизирующего средства;
I.2) на второй стадии NCO-предполимер 1.1) диспергируют в воде, причем перед, во время или после диспергирования осуществляют, по меньшей мере, частичную нейтрализацию ионных групп;
I.3) на третьей стадии осуществляют удлинение цепи посредством
e) одного или нескольких полиаминов со средней молекулярной массой М_n ниже 500; и
I.4) на четвертой стадии полностью удаляют растворитель отгонкой и в заключение
добавляют совместно или раздельно в полиуретановую дисперсию (I);
II) от 1 до 7 мас.% моногидроксилфункционального простого этилен- или пропиленгликолевого эфира, а также
III) другие добавки для лаков.

2. Водное средство для нанесения покрытия, полученное по п.1.

3. Водное средство для нанесения покрытия по п.2, отличающееся тем, что полиуретановая дисперсия имеет содержание жестких сегментов между 50 и 85 мас.%, причем количество изоцианата в расчете на твердое вещество составляет между 35 и 55 мас.%.

4. Водное средство для нанесения покрытия по п.2, отличающееся тем, что кислотное число твердой смолы составляет между 12 и 30 мг КОН/г твердой смолы.

5. Водное средство для нанесения покрытия по п.2, отличающееся тем, что полиолы b) используют в сочетании с содержащим жирную кислоту полиэфиром b1).

6. Водное средство для нанесения покрытия по п.5, отличающееся тем, что компоненты b1) являются среднестатистически бифункциональными относительно ОН-групп содержащими жирную кислоту компонентами, имеющими звенья глицерина или триметилолпропана.

7. Водное средство для нанесения покрытия по п.5, отличающееся тем, что компоненты b1) являются продуктом взаимодействия со средней ОН-функциональностью 2 касторового масла с другим маслом, отличающимся от касторового масла.

8. Водное средство для нанесения покрытия по п.5, отличающееся тем, что полиолы имеют молекулярную массу М_n от 650 до 2500 г/мол, ОН-функциональность от 1,92 до 2 и являются выбранными из группы: сложный эфир, простой эфир, карбонаты или эфиркарбонаты.

9. Водное средство для нанесения покрытия по п.2, отличающееся тем, что компонентами II) являются монометиловый эфир этилгликоля, монобутиловый эфир этилгликоля, бутилдигликоль, монометиловый эфир пропиленгликоля или монобутиловый эфир пропиленгликоля.

10. Применение водного средства для нанесения покрытия по п.2 в качестве связующего в однокомпонентных (1К)-системах.

11. Применение водного средства для нанесения покрытия по п.2 в качестве связующего в двухкомпонентной (2К)-системе.

12. Применение водного средства для нанесения покрытия по п.2 для получения покрытия на впитывающих подложках.

13. Применение по п.12, отличающееся тем, что впитывающими подложками являются дерево или минеральные подложки с открытой пористостью.