Способ получения содержащих соли висмута композиций и их применение в качестве каталитических компонентов в катодно осаждаемых лаках для электролакирования погружением

 

Использование: изобретение относится к способу получения содержащих соли висмута композиций для катализированных реакций сшивки катионных лаковых связующих. Сущность: для получения соли висмута оксид висмута специфическим образом вводят во взаимодействие с молочной кислотой и затем полученную смесь висмутиллактата и лактат висмута диспергируют в лаковом связующем. Эти композиции применяют в качестве каталитических компонентов в катодно осаждаемых лаках для электролакирования погружением. Такого рода лаки для лакирования погружением обладают отличными свойствами в отношении нанесения и пленочными свойствами. Таким образом можно отказаться от применения соединений свинца и олова в качестве катализаторов. 3 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способу получения содержащих соли висмута композиций, согласно которому оксид висмута специфическим образом вводят во взаимодействие с молочной кислотой и затем полученную смесь висмутиллактата и лактата висмута диспергируют в лаковом связующем, а также к применению этих композиций в качестве каталитических компонентов в катодно осаждаемых лаках для электролакирования погружением.

Из патента Австрии 397 820 В 1 известен способ получения содержащих катализатор, разбавляемых водой после протонирования, катодных лаковых связующих, которые содержат сшиваемые за счет переэтерификации и/или переамидирования и/или переуретанизации и/или путем реакции концевых двойных связей, катионные лаковые связующие и соли висмута алифатических гидроксикарбоновых кислот, предпочтительно молочной кислоты для диметилолпропионовой кислоты.

Согласно этому предложению соли висмута получают путем взаимодействия 1,0 моля оксида висмута с 7,0 молями соответствующей гидроксикарбоновой кислоты, причем избыток в 1,0 моль кислоты должен гарантировать по возможности количественное взаимодействие. Берут деионизированную воду и кислоту и при 70^oC при перемешивании порциями добавляют имеющийся в продаже оксид висмута (Bi₂O₃) Осадок отфильтровывают и высушивают при температуре 40 - 60^oC.

Приготовление содержащих катализатор лаковых связующих осуществляют таким образом, что перед добавкой значительных количеств воды в качестве разбавителя соль висмута добавляют к протонированному раствору связующего и затем смесь гомогенизируют в течение нескольких часов.

Согласно заявке WO-93 /24578, п.п. 3 и 5 формулы изобретения, соль висмута гомогенизируют в используемом в виде пастообразной смолы лаковом связующем в устройстве для растворения (растворителе) и затем на бисерной (шаровой) мельнице, в случае необходимости в присутствии пигментов.

Описанные в обоих патентных документах способы в отношении технической применимости обладают некоторыми существенными недостатками. С одной стороны, выделенные и высушенные соли висмута во время своего хранения склонны к агломерации. С другой стороны, для перевода в растворимую форму оксида висмута необходимо 1 большее количество кислоты, чем требуется затем для нейтрализации всего лакового связующего. В лак для лакирования погружением таким образом вводят избыточное количество кислоты, вследствие чего заметно повышается расход тока во время функционирования емкости для погружения.

Описанный в обоих патентных документах специальный вариант осуществления с применением молочной кислоты или диметилолпропионовой кислоты в качестве нейтрализующего средства для всего связующего для полного или частичного гомогенизирования соответствующих количеств оксида висмута или гидроксида висмута вместо гомогенизирования соли висмута - в случае этого in situ метода не требуется никакого выделения солей висмута - также только условно приводит к цели. При соответствующих рецептурах лаки после более продолжительного хранения во многих случаях склонны к седиментации (образованию осадка); кроме того, установлено снижение каталитической активности солей висмута.

Если напротив количество кислоты уменьшают до величины менее, чем 7,0 молей, на 1,0 моль оксида висмута, то в результате перевода в растворимую форму реакционная смесь зачастую образует кристаллически клейкую массу, которую нельзя ни перемешивать, ни отфильтровывать.

Также применение пастообразной смолы согласно заявке WO-93/23578 никак не снимает указанные трудности.

В настоящее время неожиданно найдено, что изменение способа перевода в растворимую форму оксида висмута делает возможным удовлетворяющее практическим требованиям применение солей висмута молочной кислоты в качестве каталитических компонентов в катодно осаждаемых лаках для электролакирования погружением.

Соответственно этому, изобретение относится к способу получения содержащих соли висмута композиций для катализирования реакций сшивки катионных лаковых связующих, который отличается тем, что А) 1,0 моль оксида висмута постепенно вводят во взаимодействие в целом с 4,0 молями молочной кислоты, причем Аа) сначала 1,0 моль оксида висмута и 2,0 моля молочной кислоты в присутствии воды гомогенизируют при 20 - 40^oC в течение 30 - 60 минут; Аб) полученную в п. Аа) смесь после добавки 1,0 моля молочной кислоты снова гомогенизируют при 30 - 40^oC в течение 30 - 60 минут, и Ав) повторяют процесс согласно п. Аб), причем гомогенизируют до тех пор, пока цвет реакционной смеси не изменится от первоначально желтого до белого; и Б) затем полученную по пп. Аа) - Ав) смесь висмутиллактата и лактата висмута комбинируют с катионным лаковым связующим, причем содержание висмута, в расчете на общее содержание твердого вещества в композиции, составляет 25 -45мас.%, предпочтительно 30 - 45 мас.%.

Изобретение относится, далее, к применению полученных согласно изобретению композиций, в случае необходимости в форме пигментных паст, в комбинации со сшиваемыми за счет переэтерификации и/или переамидирования и/или переуретанизации и/или путем реакции концевых двойных связей, катионными лаковыми связующими, причем они идентичны или отличаются от содержащегося в композиции лакового связующего и, в случае необходимости, находятся в виде дисперсий, для приготовления составов катодно осаждаемых лаков для электролакирования погружением, причем они содержат висмут в количестве, в расчете на содержание твердого вещества во всем лаковом связующем, 0,5-3,0 мас.%, предпочтительно 0,8-2,5 мас.%.

Изобретение относится, наконец, к катодно осаждаемым лакам для электролакирования погружением с содержанием висмута, в расчете на содержание твердого вещества во всем лаковом связующем, 0,5-3,01 мас.%, предпочтительно 0,8-2,5 мас.%, которые содержат полученные согласно изобретению композиции, в случае необходимости в форме пигментных паст, а также другие, сшиваемые за счет переэтерификации и/или переамидирования и/или переуретанизации и/или путем реакции концевых двойных связей катионные лаковые связующие, причем они идентичны или отличаются от содержащегося в композиции лакового связующего и, в случае необходимости, находятся в виде дисперсии.

Заявляемый способ технологически прост и также отлично воспроизводится при больших загрузках. Катодно осаждаемые лаки для электролакирования погружением обладают отличными свойствами в отношении нанесений и пленочными свойствами. Можно отказаться от применения соединений свинца и олова в качестве катализаторов.

Получение композиций осуществляют указанным в основном пункте формулы изобретения образом. После реакционных стадий Аа) - Ав) смесь висмутиллактата и лактата висмута комбинируют с катионным лаковым связующим. Предпочтительно, когда композиции имеют вязкость в пределах 4000 - 10 000 мПас при 23^oC. Таким образом, они также при комнатной температуре текучие и с ними хорошо манипулировать.

Обычно для композиций выбирают те же самые катионные лаковые связующие, которые используют в качестве "базисной смолы" для приготовления катодно осаждаемых лаков для электролакирования погружением, однако без отверждающей компоненты и не в виде дисперсии.

Такого рода сшиваемые за счет переэтерификации и/или переамидирования и/или переуретанизации и/или путем реакции концевых двойных связей лаковые связующие в большом числе известны из литературы. Поэтому нет необходимости в более подробном описании структуры и химии этих продуктов.

В случае, если композиции перерабатывают далее в форме пигментных паст (пигментов в виде паст), то на реакционной стадии (Г) предпочтительно нужно применять специальные пигменты, пастообразные смолы, которые, например, описываются в патенте ФРГ 2634211 C 2; выложенном описании к неакцептованной заявке на патент ФРГ 2634229; европейском патенте 107088 A 1; европейском патенте 107089 A 1; европейском патенте 107098 A 1; европейском патенте 251772 A 2; европейском патенте 336599 A 2; патенте Австрии 380 264 и патенте Австрии 394 372.

Приготовление составов, дальнейшая переработка, соответственно, применение пигментных паст и лаков известны специалисту.

Катодно осаждаемые лаки для электролакирования погружением также в течение более длительного промежутка времени обладают очень хорошей устойчивостью при хранении, т.е. не наблюдается ни образования осадка, ни ухудшения реакционной способности. Свойства осажденных мокрых пленок, соответственно, сшитых лаковых пленок, полностью соответствуют требуемому в автомобильной промышленности, очень высокому стандарту качества.

Примеры поясняют изобретение, однако они не ограничивают его объема. Все данные в частях или процентах относятся к массовым единицам.

В примерах применяют следующие сокращения: МЭЭ = масса эпоксидного эквивалента, т.е. содержащее одну эпоксидную группу количество (в граммах) эпоксидной смолы; Э_гЭ =простой этиленгликольмоноэтиловый эфир; ДЭАПА = диэтиламинопропиламин; ЭГ_л = сложный глицидиловый эфир
C₁-C₁₁-трет.-монокарбоновой кислоты;
Б_yГ_л = простой моноэтиленгликольмонобутиловый эфир;
МП = метоксипропанол;
ТДИ = толуилендиизоцианат (продажная смесь изомеров)
ДГ_л ДМЭ =диэтиленгликольдиметиловый простой эфир;
ПФ 91 = 91%-ный параформальдегид;
ПОВ = полностью обессоленная вода;
МЭК = миллиграмм-эквивалентов кислоты на 100 г связующего (твердое вещество)
1. Получение содержащих соли висмута композиций КАТ-1 - КАТ-4
(ПРИМЕРЫ 1-4).

Из указанных в Таблице 1 продуктов в соответствующих количественных соотношениях нижеописанным образом получают содержащие соли висмута композиции КАТ-1 - КАТ-4:
В пригодный реакционный сосуд с перемешивающим устройством помещают полностью обессоленную воду и первую порцию молочной кислоты (2,0 моль). При перемешивании порциями добавляют оксид висмута (1,0 моль). Смесь гомогенизируют в течение 30 - 60 минут, причем температура повышается примерно до 40^oC.

Затем добавляют вторую порцию молочной кислоты (1,0 моль). Смесь снова гомогенизируют в течение 30 - 60 минут.

После добавки третьей порции молочной кислоты (1,0 моль) смесь гомогенизируют до тех пор, пока ее цвет не изменится от первоначально желтого до белого (без заметной желтоватости).

К таким образом полученной смеси висмутиллактата и лактата висмута затем добавляют катионное лаковое связующее в таком количестве, что смесь также после более продолжительного хранения хорошо текучей и соль висмута не осаждается (пределы вязкости примерно 4 000 - 10 000 мПапри 23^oC)
2. Получение связующих, применяемых, например, для композиций КАТ-1 - КАТ-4 и для приготовления композиций лаков для электролакирования погружением
2.1. Связующее В-1:
190 г эпоксидной смолы на основе бисфенола-А (вес эпоксидного эквивалента примерно 190) и 1425 г эпоксидной смолы на основе бисфенола-А (вес эпоксидного эквивалента примерно 475) при 100^oC растворяют в 597 г этиленгликольмоноэтилового простого эфира. Раствор охлаждают до 60^oC и смешивают со 126 г диэтаноламина. В течение 2 часов температуру медленно повышают до 80^oC. Затем добавляют 169 г диэтиламинопропиламина. В течение 2 часов температуру повышают до 120^oC. При этой температуре добавляют 478 г ЭГ_л, смесь перемешивают в течение 5 часов при 130^oC и, наконец, разбавляют с помощью этиленгликольмоноэтилового простого эфира до содержания твердого вещества 65%. Смола имеет аминное число 91 мг КОН/г и гидроксильное число 265 мг КОН/г, каждый раз в расчете на твердое вещество.

2.2. Связующее В-2:
2 г Азоизобутиронитрила растворяют при нагревании в 40 г изопропанола. К прозрачному раствору при температуре кипения с обратным холодильником (примерно 84^oC) в течение 2 часов равномерно добавляют смесь мономеров, состоящую из 20 г глицидилметакрилата, 20 г гидроксиэтилметакрилата, 20 г метилметакрилата и 40 г 2-этилгексилакрилата, в которой растворяются до образования прозрачного раствора 2 г азобисизобутиронитрила. Реакционную массу перемешивают следующие 3 часа при температуре кипения с обратным холодильником. После этого к реакционной массе быстро добавляют при 85^oC гомогенный раствор из 16 г диизопропаноламина в 20 г моноэтиленгликольмонобутилового простого эфира, реакционную смесь перемешивают еще 2 часа при 90^oC и, наконец, продукт при 90^oC разбавляют с помощью 13 г этиленгликольмоноэтилового простого эфира, а при 40^oC -с помощью ацетона.

Смола содержит 57 мас.% твердого вещества, ее аминное число составляет 58 мг КОН/г, а гидроксильное число составляет 250 мг/г, каждый раз в расчете на твердое вещество.

2.3. Связующее В-3:
570 мг Эпоксидной смолы на основе бисфенола А (вес эпоксидного эквивалента примерно 190) и 317 г метоксипропанола нагревают до 60^oC, в течение 2 часов смешивают со смесью из 116 г (0,9 моль) этилгексиламина и 163 г (0,15 NH-эквивалента) полимерного амина (см. ниже) и оставляют реагировать вплоть до достижения значения МЭК=2,06. Затем добавляют 1330 г (2,1 моль) 75%-ного раствора эпоксидной смолы на основе бисфенола-А (вес эпоксидного эквивалента примерно 475) в метоксипропаноле. Далее, в течение 1 часа при 60^oC добавляют раствор 189 г (1,8 моль) диэтаноламина в 176 г метоксипропанола и реакцию доводят вплоть до значения МЭК=1,57. После следующей добавки раствора 78 г (1,2 моль) диэтиламинопропиламина в 54 г метоксипропанола в течение 1 часа реакцию проводят при 60^oC вплоть до значения МЭК=1,46. Температуру повышают до 90^oC и затем в течение следующего часа до 120^oC. При достижении вязкости (GARDNER - HOLD; 6 г смолы + 4 г метоксипропанола) величины, соответствующей индексу I - J разбавляют с помощью метоксипропанола до содержания твердого вещества 65 мас.%. Продукт имеет аминное число 117 мг КОН/г и гидроксильное число 323 мг КОН/г, каждый раз в расчете на твердое вещество.

Полимерный амин получают путем взаимодействия 1 моля диэтилентриамина с 3,1 молями простого 2-этилгексилглицидилового эфира и 0,5 моля эпоксидной смолы на основе бисфенола-А (вес эпоксидного эквивалента примерно 190) в 80%-ном метоксипропанольном растворе. Продукт имеет вязкость (ДИН 53211/ 20^oС; 100 г смолы + 30 г метоксипропанола) 60 - 80 секунд.

2.4. Связующее B - 4:
(согласно патенту Австрии 394372, пример 1)
В пригодный реакционный сосуд, снабженный мешалкой, термометром и устройством для дистилляции, помещают 258 частей (2 моля) 2-этилгексиламина, нагревают до 80^oC и затем равномерно в течение часа добавляют 380 частей алифатической эпоксидной смолы (на основе полипропиленгликоля; вес эпоксидного эквивалента примерно 190). При этом температуру повышают до 120^oC. Смесь выдерживают следующий час при 120^oC. После этого добавляют 693 части моноэтиленгликольмонобутилового простого эфира и при 70^oC добавляют 1900 частей эпоксидной смолы на основе бисфенола-А (вес эпоксидного эквивалента примерно 475). Смесь снова нагревают до 120^oC, и реакцию при этой температуре продолжают в течение 1,5 часов. Промежуточный продукт имеет долю полиоксиалкиленовых структурных единиц 11мас.% и долю алкильных остатков более, чем с тремя C-атомами, 9 мас.%.

К этому промежуточному продукту при 100^oC добавляют 204 части (2 моля) диметиламинопропиламина. После выдерживания в течение 1 часа при 100^oC, к смеси добавляют 66 частей (2 моля) ПФ 91, а примерно при 140^oC при азеотропной отгонке с метилизобутилкетоном в качестве средства-носителя удаляют примерно 36 частей реакционной воды. После этого метилизобутилкетон удаляют в вакууме, массу нейтрализуют примерно при 80^oC с помощью 200 частей 38%-ной уксусной кислоты (36 ммоль/100 твердого вещества) и разбавляют с помощью 3265 частей полностью обессоленной воды до содержания твердого вещества примерно 40%.

2.5. Компонент сшивки VK-1:
В реакционный сосуд, который снабжен пригодным для азеотропного способа отгонки устройством и колонкой с колпачковыми тарелками для отделения образующихся при частичной переэтерификации спиртовых компонентов, к смеси из 160 г (1 моль) диэтилового эфира малоновой кислоты, 0,34 г (0,004 моля) пиперидина и 0,22 г (0,004 моля) 85%-ной муравьиной кислоты при 80^oC порциями добавляют 29,7 г (0,9 моля) ПФ 91, так, чтобы при наступлении экзотермической реакции температура не превышала 95^oC. Реакционную смесь перемешивают при температуре 95^oC до тех пор, пока ПФ 91 полностью не растворится. Температура при наступающем водоотщеплении в течение 2х часов повышается до 110^oC. После достижения температуры 110^oC вместе со специальным бензином (пределы кипения 80 - 120^oC) в качестве средства-носителя отгоняют в целом 9 г воды. При наложении вакуума затем удаляют используемое средство-носитель.

После добавки 22,8 г (0,3 моля) 1,2-пропиленгликоля смесь нагревают вплоть до начала перегонки (140 - 150^oC. При повышающейся температуре отгоняют 27 частей (0,6 моля) этанола. Полученный продукт имеет содержание твердого вещества (120^oC, 30 минут) примерно 92 мас.%, ОН-число ниже 5 мг КОН/г, характеристическую вязкость примерно 5,2 мл/г (20^oC, диметилформамид) и показатель преломления n_Д²⁰ = 1,4670.

2. 6. Компонент сшивки VK-2:
Продукт взаимодействия 134 г (1 моль) триметилолпропана с 851 г (2,8 моля) полублокированного с помощью 2-этилгексанола толуилендиизоцианата в 70%-ном ДГ_лДМЭ - растворе.

2. 7 Компонент сшивки VK-3;
134 г (1 моль) Триметилолпропана смешивают со 160 г (1 моль) диэтилового эфира малоновой кислоты и нагревают вплоть до начала перегонки (примерно 140 - 150^oC. При повышающейся температуре (вплоть до 180^oC отгоняются 46 г (1 моль) этанола. По окончании реакции разбавляют с помощью 128 г
ДГ_лДМЭ и охлаждают до 60^oC. Затем в течение 4 часов добавляют 264 г (1 моль, соответственно, 1 NCO - эквивалент) продукта взаимодействия из 1 моля толуилендиизоцианата с 1 молем этиленгликольмоноэтилового простого эфира и оставляют реагировать при 60^oC до NCO-содержания ниже 0,02 миллиэквивалента на г пробы.

Полученный продукт содержит 802 мас. % твердого вещества (30 минут, 120^oC), вязкость по ГАРДНЕР-ГОЛЬДу (10 г продукта +2г ДГ_лДМЭ) соответствующему индексу К и показатель преломления n_Д²⁰ = 1,4960.

3. Испытание содержащих соли висмута композиций КАТ-1 - КАТ-4 в качестве каталитических компонентов в катодно осаждаемых лаках для электролакирования окунанием
3.1 Получение лаков 1 - 6
2499 связующего В-4 (40% -ного)
40 красящей сажи (FarbruB)
4960 диоксидат титана
92 5 н. муравьиной кислоты
2409 полностью обессоленной воды
10 000 пигментная паста, 60%-ная
Соответствующие Таблице 2 количества КАТ-1 - КАТ-2 примешивают к смеси либо перед растиранием на бисерной мельнице, либо к готовой пигментной пасте.

Из 90 частей комбинации катионных связующих (70 частей связующего и 30 частей компонента сшивки, см. Таблицу 2) и 60 частей пигментной пасты (каждый раз, в расчете на твердое вещество и без учета добавленного количества содержащей соли висмута композиции) получают при удовлетворяющих требованиям практики условиях лаки с соотношением пигмент /связующее 0,5:1.

3.2. Оценка осажденных и затем подвергнутых горячей сушке лаковых пленок
В лаковых составах (композициях) с помощью полностью обессоленной воды устанавливают содержание твердого вещества 18%.

После времени гомогенизации 24 часа лаки катодно осаждают на очищенных, нефосфатированных стальных листах. Условия осаждения выбирают так, что пленки имеют толщину в сухом состоянии 22 + 2 мкм. Отверждение осуществляют путем горячей сушки в печи с циркуляцией воздуха (20 минут / 170^oC).

Все лакирования обладают отличными механическими свойствами (испытание на удар согласно норме ASTM-D-2794 - 90 минимально среднее давление 80; никакого растрескивания при испытании перегибанием на стержне согласно норме ASTM-D-522-88), а также отличной стойкостью к коррозии (испытание на устойчивость к действию солевого тумана согласно норме ASTM-B-117-90 после длительности испытания 360 часов: максимально 2 мм).

3.3. Испытание на устойчивость при хранении лаков 1-6
После "теста по перемешиванию" (вязкость для нанесения, комнатной температура) в течение 4 недель лаки не дают никакого осадка (менее 20 мг/л, сито из перлона с размером отверстий 28 мкм) и обладают той же самой (не уменьшенной) реакционной способностью (повторение испытаний согласно п. 3.2)й

Формула изобретения

1. Способ получения содержащих соли висмута композиций для катализированных реакций сшивки катионных лаковых связующих, включающий получение соли висмута, комбинирование соли висмута со связующим и гомогенизирование смеси, отличающийся тем, что соль висмута получают путем постепенного введения 1,0 моля оксида висмута во взаимодействие в целом с 4,0 молями молочной кислоты, причем сначала 1,0 моль оксида висмута и 2,0 моля молочной кислоты в присутствии воды гомогенизируют при 20 - 40^oC в течение 30 - 60 мин, полученную смесь после добавки 1,0 моля молочной кислоты снова гомогенизируют при 30 - 40^oC в течение 30 - 60 мин, вновь добавляют 1,0 моль молочной кислоты и гомогенизируют полученную смесь при 30 - 40^oC до тех пор, пока цвет реакционной смеси не изменится от первоначально желтого до белого, затем полученную смесь висмутиллактата и лактата висмута комбинируют с катионным лаковым связующим с тем соответствием, что содержание висмута в расчете на общее содержание твердого вещества в композиции составляет 25 - 45 мас.%, предпочтительнее 30 - 40 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катионного лакового связующего используют сшиваемые за счет переэтерификации, и/или переамидирования, и/или переуретанизации, и/или путем реакции двойных связей катионные лаковые связующие, предпочтительнее, пигментную пастообразную смолу, причем композиции, предпочтительнее, имеют вязкость в пределах 4000 - 10000 мПа с при 23^oC.

3. Композиция для использования в качестве катализатора при приготовлении катодно осаждаемых лаков для электролакирования погружением, содержащая соль висмута в комбинации с катионным лаковым связующим, отличающаяся тем, что композиция получена способом по пп.1 и 2, в случае необходимости, в форме пигментных паст, в качестве катионного лакового связующего она содержит сшиваемые за счет переэтерификации, и/или переамидирования, и/или переуретанизации, и/или путем реакции концевых двойных связей катионные связующие, причем они идентичны или отличаются от содержащегося в композиции лакового связующего и, в случае необходимости, находятся в виде дисперсии, и содержание висмута в них в расчете на содержание твердого вещества во всем лаковом связующем составляет 0,5 - 3,0 мас.%, предпочтительнее 0,8 - 2,5 мас.%.

4. Катодно осаждаемый лак для электролакирования погружением, содержащий каталитическую систему, включающую соль висмута, отличающийся тем, что он содержит получаемую по пп.1 и 2 композицию, в случае необходимости, в форме пигментной пасты, а также другие, сшиваемые за счет переэтерификации, и/или переамидирования, и/или переуретанизации, и/или путем реакции концевых двойных связей катионные лаковые связующие, причем они идентичны или отличаются от содержащегося в композиции лакового связующего и, в случае необходимости, находятся в виде дисперсий, и причем содержание висмута в расчете на содержание твердого вещества во всем лаковом связующем составляет 0,5 - 3,0 мас.%, предпочтительно 0,8 - 2,5 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3