DE60001554T2

DE60001554T2 - Wässrige lackzusammensetzung

Info

Publication number: DE60001554T2
Application number: DE60001554T
Authority: DE
Inventors: Mannish Widmer End SARKAR
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: EP1177262A1; DE60001554D1; BR0009857B1; ATE233796T1; WO2000063300A1; CN1347438A; US6316544B1; AU3655800A; BR0009857A; CN1158361C; EP1177262B1; GB9908899D0

Description

Diese Erfindung betrifft eine wässrige Anstrichzusammensetzung, insbesondere eine, die für das Anstreichen der Innen- und Außenwände sowie der Decken von Gebäuden nützlich ist, ein Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzung und ein Verfahren für ihre Verwendung.
Anstriche für die Wände und Decken von Gebäuden umfassen im Allgemeinen ein polymeres Bindemittel und einen teilchenförmigen Feststoff, der keinen Film bildet. Diese Anstriche gehören im Allgemeinen zu einem von zwei Typen. Der erste Typ umfasst Anstriche auf Lösemittelbasis, bei denen ein polymeres Bindemittel in einem organischen Lösemittel gelöst oder dispergiert ist Der zweite Typ umfasst wasserbasierte Anstriche, bei denen das polymere Bindemittel eine Dispersion eines unlöslichen Polymers in Wasser ist. Wasserbasierte Anstriche dieses zweiten Typs werden oft als „Emulsionsanstriche" bezeichnet; und diese stellen den am häufigsten eingesetzten Typ der derzeit verwendeten Wand- und Deckenanstriche dar. Emulsionsanstriche wurden in den 1950er Jahren entwickelt und sind bis heute weitgehend unverändert geblieben.
Emulsionsanstriche umfassen ein filmbildendes Polymer, das unlöslich in Wasser ist und in Form einer kolloidalen Dispersion vorliegt (die manchmal als „Emulsion" oder „Latex" bezeichnet wird). Sie umfassen auch einen oder mehrere teilchenförmige(n) Feststoff(e), der bzw. die keinen Film bildet bzw. bilden und der bzw. die (ein) Pigmente) sein kann bzw. können, wie Titandioxid, oder Füllmittel wie gepulverte Kreide. Die Anstriche enthalten üblicherweise auch ein Verdickungsmittel.
Das dispergierte, unlösliche, filmbildende Polymer ist üblicherweise ein Vinyl- oder Acryl-Additionspolymer, obwohl man auch Alkyd-, Epoxy-, Polyurethan- oder Polyesterpolymere kennt. Das dispergierte, unlösliche Polymer ist von Haus aus filmbildend, so dass das Polymer beim Trocknen des Anstrichfilms unter Bildung eines kontinuierlichen Films zusammenwächst. Der zusammengewachsene Film aus dem unlöslichen Polymer ergibt die letztendliche Kohäsion der getrockneten Beschichtung, indem er das Pigment und den Füllstoff verbindet und der getrockneten Beschichtung auch die Haftfähigkeit für den darunter liegenden Träger verleiht. Sowohl die Kohäsion als auch die Adhäsion sind für die Bildung von Anstrichen mit guter Abrieb- und Wasserfestigkeit wichtig. Diese beiden Qualitäten sind insbesondere für die Herstellung praktischer, robuster Anstriche wichtig, die eine Reinigung aushalten können, beispielsweise das Reiben mit einem nassen Tuch zur Entfernung von Flecken, was insbesondere bei Wänden von Wohnungen üblich ist, in denen es Kinder gibt. Diese Eigenschaft wird im Allgemeinen als „Reibungsechtheit" bezeichnet.
Im Hinblick auf ihren Wert bei der Bereitstellung von Anstrichen mit guten Endeigenschaften wie der Reibungsechtheit werden Acryl- oder Vinylpolymerdispersionen seit Jahrzehnten als eine zentrale Komponente wasserbasierter „Emulsionsanstriche" für Wände und Decken betrachtet.
Pigmente sind teilchenförmige, nicht-filmbildende Feststoffe, die dem fertigen Anstrichfilm Opazität verleihen, d. h. die Fähigkeit, den darunter liegenden Träger zu verdecken. Fein verteiltes Titandioxid ist in dieser Beziehung besonders gut und findet als weißes Pigment breite Anwendung. Die Pigmente verleihen dem Anstrichfilm auch seine Farbe. Es können viele gefärbte Pigmente verwendet werden, üblicherweise zusammen mit Titandioxid, um die gewünschte Farbe des fertigen Anstrichs zu erreichen.
Füllmittel sind teilchenförmige, nicht-filmbildende Feststoffe, die Anstrichen oft zugesetzt werden, um die Kosten zu senken, die Rheologie zu modifizieren oder die Pigmentverwertung über eine Hemmung der Agglomeration der Pigmentteilchen zu verbessern. Sie unterscheiden sich in so fern von echten Pigmenten, als sie nur eine geringe oder keine deckende Wirkung haben.
Verdickungsmittel sind im Allgemeinen polymere Materialien, die, wie ihr Name vermuten lässt, die Viskosität des Anstrichs erhöhen. Emulsionsanstriche, die aus wässrigen Polymerdispersionen hergestellt werden, hätten eine Viskosität, die derjenigen von Wasser sehr ähnlich wäre, wenn keine Verdickungsmittel zugegeben würden. Eine derartig niedrige Viskosität würde zu Problemen bei der Anwendung führen, weil der Anstrich von den Wänden laufen und von den Walzen tropfen würde. Deshalb werden Verdickungsmittel zugesetzt. Verdickungsmittel können viele unterschiedliche chemische Formen haben, aber sie können im Allgemeinen als wasserlösliche oder wasserquellbare Polymere mit hydrophilen Gruppen beschrieben werden. Die am häufigsten verwendeten Verdickungsmittel für Emulsionsanstriche basieren auf modifizierter Cellulose. Im Allgemeinen werden Verdickungsmittel Emulsionsanstrichen in Mengen von bis zu 10% des Gesamtgewichts des Bindemittels zugesetzt, meistens in der Gegend von 3 bis 6%.
Bei Emulsionsanstrichen hängen bestimmte der wichtigen Eigenschaften des fertigen Anstrichfilms in starkem Maß von der Menge des vorhandenen teilchenförmigen, nicht-filmbildenden Feststoffs (d. h. des Pigments und Füllstoffs) ab. Die Menge eines derartigen teilchenförmigen Feststoffs wird üblicherweise als das prozentuale Volumen dieses Materials bezogen auf das theoretische Gesamtvolumen des getrockneten Anstrichs ausgedrückt. Das theoretische Volumen wird auf der Basis der nicht-flüchtigen Komponenten der Anstrichzusammensetzung berechnet und schließt möglicherweise vorhandene Luft aus, die tatsächlich im getrockneten Film eingeschlossen sein kann und sein wirkliches Volumen erhöhen kann. Dieser prozentuale Anteil wird üblicherweise. der „Volumenanteil des Pigments" oder „PVK" genannt. Wenn der Begriff „PVK" in Zusammenhang mit einem flüssigen Anstrich verwendet wird, dann bedeutet das, dass der flüssige Anstrich von einer Art ist, dass eine Beschichtung aus dem Anstrich, wenn sie völlig getrocknet ist, diesen PVK hat. Sofern nichts anderes angegeben ist wird „PVK" verwendet, um die Gesamtmenge des teilchenförmigen, nicht-filmbildenden Feststoffs, sowohl des Pigments als auch des Füllstoffs, anzugeben.
Insbesondere kann die Opazität eines Emulsionsanstrichs durch die Verwendung eines relativ hohen PVK verbessert werden. Ein PVK von über 65%, und vorzugsweise über 70% oder 75%, wäre zur Erzielung einer hohen Opazität wünschenswert. Das beruht wahrscheinlich darauf, dass, wenn der PVK hoch ist, luftgefüllte Hohlräume in der getrockneten Beschichtung erzeugt werden, die eine Lichtstreuung bewirken und ihre Opazität erhöhen. Das Problem bei der Verwendung eines hohen PVK in einem herkömmlichen Emulsionsanstrich besteht jedoch darin, dass die Kohäsion und die Adhäsion leiden und deshalb die Reibungsechtheit dazu tendiert, schlecht zu sein. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die luftgefüllten Hohlräume, die dazu dienen, die Opazität zu verbessern, auch zu Schwächen im fertigen Film führen.
Ein Weg zur Verbesserung der Opazität bei niedrigerem PVK würde darin bestehen, einen höheren Anteil des deckenden Pigments, wie von Titandioxid, bezüglich der Menge des Füllstoffs zu verwenden. Allerdings sind die deckenden Pigmente viel teurer als Füllmittel, und diese Lösung ist unökonomisch.
Das Problem, auf das diese Erfindung abzielt, besteht darin, wie man Anstrichzusammensetzungen erreichen kann, die auf die gleiche Art wie herkömmliche Emulsionsanstriche verwendet werden können, die aber einen hohen PVK und somit eine hohe Opazität besitzen, während sie gleichzeitig die Reibungsechtheit beibehalten oder verbessern, die man von einem Emulsionsanstrich erwartet.
Es wurden für den Ersatz herkömmlicher Emulsionsanstriche bestimmte Anstrichzusammensetzungen vorgeschlagen, die ein mit Silanolgruppen funktionalisiertes Harz in Lösung anstelle eines dispergierten Polymers enthalten und einen hohen PVK aufweisen. vorgeschlagen. Die Vernetzung der Silanolgruppen beim Verdampfen des Wasser verleiht diesen Zusammensetzungen eine gute Reibungsechtheit. Die Nachteile der Verwendung von Silanolgruppen liegen darin, dass diese teure Ausgangsmaterialien mit Silangruppen erfordern und dass Zusammensetzungen auch instabil sein können, wenn sie unter sehr warmen Bedingungen über längere Zeiträume gelagert werden, und zwar aufgrund einer vorzeitigen Vernetzung der Silanolgruppen. Es wird eindeutig eine Alternative benötigt.
Wir haben nun entdeckt, dass man überraschenderweise wasserbasierte Anstriche für Wände und Decken bei hohem PVK über die Verwendung gewisser filmbildender Polymere formulieren kann, die auch als Verdickungsmittel für den Anstrich wirken. Diese Verdickungsmittel können als das einzige Bindemittel oder als der Hauptanteil des Bindemittels des Anstrichs verwendet. werden oder sogar als relativ geringfügige Komponente zusammen mit einem anderen herkömmlichen filmbildenden Polymer. Wir haben gefunden; dass wenigstens 20 Gew.-% des Bindemittels des Anstrichs aus diesen Verdickungsmitteln bestehen müssen, wenn die Vorteile einer guten Reibungsechtheit bei hohem PVK erzielt werden sollen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wässrige Anstrichzusammensetzung bereit gestellt, die ein polymeres Bindemittel und einen teilchenförmigen, nicht-filmbildenden Feststoff enthält, bei der

(i) wenigstens 20 Gew.-% des polymeren Bindemittels aus einem Verdickungsmittel bestehen, das ein Acryl-Additionspolymer mit Amin- oder Säurefunktionalität ist, das wenigstens teilweise neutralisiert ist, wobei das Verdickungsmittel so gewählt ist, dass eine Lösung des Verdickungsmittel von 1 Gew.-% in Wasser im Falle ihrer vollständigen Neutralisierung eine Viskosität von wenigstens 10 Centipoise (gemessen unter Verwendung einer Brookfield-Spindel Nummer 3 bei 60 U/min und 25°C) aufweist,
(ii) der PVK der Zusammensetzung 65 bis 95% beträgt,
(iii) das Volumen der nicht-flüchtigen Feststoffe der Zusammensetzung 8 bis 30% beträgt.

Überraschenderweise haben diese Zusammensetzungen eine viel bessere Reibungsechtheit als herkömmliche Emulsionsanstriche in diesem relativ hohen PVK-Bereich, in dem die Zusammensetzungen eine gute Opazität zeigen. Das bedeutet, dass sie bei einem niedrigeren Trockengewicht des Films eingesetzt werden können und immer noch eine Opazität liefern, die derjenigen herkömmlicher Emulsionsanstriche vergleichbar ist, und gegenüber derartigen Anstrichen eine verbesserte Reibungsechtheit zeigen. Das bedeutet, dass die Zusammensetzungen die nicht-flüchtigen Komponenten besser ausnützen, insbesondere Titandioxid, das eine teure Komponente ist, und demnach eine beträchtliche Kostenreduzierung ermöglichen Diese Kombination aus geringeren Kosten und höherer Leistungsfähigkeit ist das völlig unerwartete Ergebnis der Verwendung des definierten Verdickungsmittels in einer Menge von wenigstens 20% des hauptsächlichen filmbildenden Bindemittels anstelle praktisch des gesamten dispergierten unlöslichen Polymers wie in herkömmlichen Zusammensetzungen Herkömmliche Emulsionsanstriche umfassen normalerweise 25 bis 40 Vol.-% an nichtflüchtigen Feststoffen, und wenn der Gehalt der nicht-flüchtigen Feststoffe eines herkömmlichen Emulsionsanstrichs auf einen Volumenanteil unter ungefähr 25% fällt, dann wird die Leistungsfähigkeit des Anstrichs im Allgemeinen inakzeptabel. Aufgrund ihrer guten Opazität und des Vorhandenseins großer Mengen an Verdickungsmittel können die erfindungsgemäßen Anstriche einen viel niedrigeren Anteil an nicht-flüchtigen Feststoffen als herkömmliche Emulsionsanstriche enthalten und gleichzeitig eine herkömmliche Viskosität beibehalten. Bei niedrigerem Feststoffgehalt kann eine herkömmliche Dicke eines nassen erfindungsgemäßen Anstrichs aufgetragen werden, was zu einem niedrigeren Gewicht des trockenen Films führt, wobei er trotzdem noch die benötigte Opazität besitzt. Das ermöglicht es, die Anstriche mittels herkömmlicher Verfahren aufzutragen, und der Anwender wird nur wenig Unterschied hinsichtlich der Anwendungseigenschaften bemerken. Vorzugsweise hat die Anstrichzusammensetzung einen Volumengehalt an nicht-flüchtigen Feststoffen von 10 bis 20%, am bevorzugtesten von 10 bis 15%. Diese relativ niedrigen Anteile an nicht-flüchtigen Feststoffen bedeuten, dass diese Anstriche weniger dicht und somit weniger schwer gemacht werden können und leichter zu tragen und zu transportieren sind.
Diese Zusammensetzungen sind wasserbasiert, und somit ist die hauptsächliche oder einzige flüchtige flüssige Komponente Wasser. Herkömmliche Emulsionsanstriche umfassen üblicherweise neben dem Wasser auch eine geringe Menge eines flüchtigen organischen Lösemittels, z. B. um die Koaleszenz des dispergierten Polymers zu fördern. Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung erfordern nicht grundsätzlich ein derartiges Lösemittel, und es ist unter Umweltaspekten wünschenswert, wenig oder keines zu verwenden. Es können kleine Mengen flüchtiger organischer Lösemittel enthalten sein, wenn es gewünscht ist. Beispiele für derartige organische Lösemittel sind Dowanol PM^TM (Dipropylenglycolmonomethylether von Dow Chemicals), Butyl Cellosolve^TM, Texanol^TM oder Testbenzin. Vorzugsweise enthalten die Anstriche der vorliegenden Erfindung nicht mehr als 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, an flüchtigen organischen Lösemitteln, am bevorzugtesten gar keins.
Acryl-Additionspolymere sind Polymere aus ethylenisch ungesättigten Acrylmonomeren, beispielsweise Acryl- oder Methacrylsäure und deren Estern. Beispiele für Ester der Acryl- oder Methacrylsäure sind ihre C_1-8-Alkylester wie Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Butylmethacrylat und 2-Ethylhexylacrylat. Andere Acrylmonomer umfassen Monomere mit Hydroxyfunktionen, wie Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat und Hydroxybutylacrylat sowie Monomere mit Aminfunktionalität, wie Dimethylaminoethylmethacrylat. Das Verdickungsmittel kann auch Vinylmonomere wie Styrol enthalten.
Bevorzugte Acryl-Additionspolymere umfassen auch hydrophobe C_8-30-Alkylketten. Derartige hydrophobe Ketten können eingeführt werden, indem ein Monomer aufgenommen wird, das Alkylketten enthält, wie Decylacrylat, Dodecylacrylat, Laurylmethacrylat, Stearylmethacrylat oder Stearylitaconat. Solche Alkylketten können auch indirekt an der Polymerkette befestigt werden, beispielsweise über eine Poly(ethylenglycol)-Kette.
Das Verdickungsmittel hat vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts, wie es mittels Gelpermeationschromatographie bestimmt wird, von 4 000 bis 200 000, bevorzugter von 40 000 bis 100 000. Es hat vorzugsweise eine theoretische Glasübergangstemperatur, wie sie mittels der Fox-Gleichung berechnet wird, von –30 bis 140°C.
Die Säuregruppen des Verdickungsmittel sind vorzugsweise Carbonsäuregruppen -COOH. Bevorzugte Polymere mit Säurefunktionen haben einen Säurewert von über 100 mg KOH/g, vorzugsweise von über 200 mg KOH/g.
Die Aminogruppen des Verdickungsmittels können primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen mit der Formel II sein,
-N-H_aR_2-a Formel II
wobei a 0 bis 2 ist, vorzugsweise 1 oder 2, und R ein C_1-4-Alkylrest ist, vorzugsweise Methyl oder Ethyl.
Bevorzugte Verdickungsmittel mit Aminfunktionalität haben einen Aminwert von über 70 mg KOH/g, bevorzugter von über 100 mg KOH/g.
Die Amino- oder Säuregruppen müssen für die Solubilisierung des Verdickungsmittels wenigstens teilweise neutralisiert sein. Es können Säuren wie Essigsäure oder Milchsäure zur Neutralisierung der Aminogruppen zugesetzt werden. Es können Basen wie Ammoniak oder Amine wie Ethylamin oder Alkalimetallhydroxide wie Natriumhydroxid zur Neutralisierung der Carboxygruppen zugesetzt werden. Vorzugsweise wird genügend Säure oder. Base zugesetzt, um wenigstens 80% der Säure- oder Aminogruppen, und bevorzugter alle, zu neutralisieren. Es kann mehr Säure oder Base zugesetzt werden, als erforderlich ist, aber das ist mit dem Risiko verbunden, dass die Wasserbeständigkeit des fertigen Anstrichfilms beeinträchtigt wird.
Das Verdickungsmittel kann auch zusätzlich nicht-ionische Gruppen enthalten. Bevorzugte nicht-ionische Gruppen sind Poly(ethylenoxid)-Gruppen mit der allgemeinen Formel 1,
RO-(-CH₂-CH₂-O-)_n- Formel 1 wobei R H ist oder ein C_1-30-Alkylrest, vorzugsweise C₁₀ bis ₁₈ und n im Durchschnitt 5 bis 15 ist, vorzugsweise 7 bis 10. Diese Polyethylenoxidgruppen können auch einen kleineren Anteil an Einheiten enthalten, die von höheren Alkylenoxiden, wie Propylenoxid, stammen. Derartige zusätzliche Alkylenoxide sollten nicht in einer solchen Menge vorliegen, dass die nicht-ionische Gruppe nicht mehr hydrophil ist, was in der Praxis weniger als 10 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der nicht-ionischen Gruppe, bedeutet. Die am stärksten bevorzugten nicht-ionischen Gruppen haben die Formel 1 und enthalten keine Einheiten, die von höheren Alkylenoxiden stammen.
Vorzugsweise ist das Verdickungsmittel im Wesentlichen frei von Silanolgruppen und hydrolysierbaren Silangruppen. Silanolgruppen sind Gruppen der Formel -Si(OH)₃. Hydrolysierbare Silangruppen sind Gruppen mit der Formel -Si(OR¹)_n(R²)_3-n, wobei n 1 bis 3 ist, OR¹ eine hydrolysierbare Oxygruppe ist, R¹ eine beliebige Gruppe ist, die von der Oxygruppe durch Hydrolyse unter Zurücklassung einer Silanolgruppe -Si-OH entfernt werden kann, und R² eine beliebige andere geeignete Gruppe ist, die nicht die Hydrolyse verhindert.
Das Verdickungsmittel wirkt sowohl als Verdicker des Anstrichs als auch als Bindemittel. Das hat den Vorteil, dass sowohl die für die Auftragung erforderliche Viskosität als auch die für den Anstrich erforderlichen Filmeigenschaften bereit gestellt werden und es überraschenderweise ermöglicht wird, dass das dispergierte Polymer herkömmlicher Emulsionsanstriche in stark verringerter Menge verwendet werden oder sogar ganz weggelassen werden kann.
Das Verdickungsmittel muss eine solche Viskosität in Wasser haben, dass eine Lösung von 1 Gew.-% des Verdickungsmittels in Wasser, wenn sie vollständig neutralisiert ist, eine Viskosität von mehr als 10 Centipoise haben muss, vorzugsweise von wenigstens 150 Centipoise, bevorzugter von wenigstens 200 Centipoise, wie es mittels einer Brookfield-Spindel Nummer 3 bei 60 U/min und 25°C bestimmt wird. Die tatsächliche Viskosität der Anstrichzusammensetzung hängt von der Konzentration des Verdickungsmittels und dem Anteil der Säure oder Aminogruppen, die neutralisiert sind, ab. Typischerweise sollte die Anstrichzusammensetzung eine Viskosität von 0,3 bis 1,9 Poise, gemessen mit einem Cone/Plate-Viskosimeter von ICI und 3 bis 15 Poise, gemessen mit einem Rotothinner^TM, aufweisen.
Diese Verdickungsmittel können mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt werden, bei denen die Monomerkomponenten durch das Inkontaktbringen mit einem Polymerisationsinitiator bei einer Temperatur, bei der die Polymerisation abläuft, polymerisiert werden. Zu geeigneten Verfahren gehören eine Emulsionspolymerisation, eine Dispersionspolymerisation oder eine Lösungspolymerisation. US5130369 und US5294692 bringen Beispiele für diese Verfahren.
Es können auch bestimmte, im Handel erhältliche Verdickungsmittel verwendet werden. Zum Beispiel werden einige geeignete Verdickungsmittel aus Acrylpolymeren mit Säurefunktionen unter dem Handelsnamen Alcogum oder Acrysol verkauft.
Die nicht-filmbildenden teilchenförmigen Feststoffe haben im Allgemeinen ein Zahlenmittel der Teilchengröße von 50 nm bis 50 um, und zwar in Abhängigkeit vom Typ des Feststoffs. Zu diesen teilchenförmigen Feststoffen gehören deckende Pigmente und Füllmittel.
Zu festen, anorganischen, weiß deckenden Pigmenten gehören Rutil- und Anatase-Titandioxide. Fein gepulvertes teilchenförmiges Titandioxid ist ein Haupthandelsprodukt, das in Anstrichen breite Anwendung findet. Es kann in jeder Form, die für die Herstellung von Anstrichen nützlich ist, in den Zusammensetzungen verwendet werden. Im Allgemeinen hat das Titandioxid eine Teilchengröße von 150 bis 500 nm. Kommerzielles Titandioxid ist häufig mit Silicium, Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid beschichtet. Typische organische, nichtfilmbildende, weiße, deckende Pigmente sind hohlraumhaltige Teilchen, die als Ropaque^TM bekannt sind, mit einer Teilchengröße von ungefähr 400 nm, wie es im Europäischen Patent EP 0 113 435B beschrieben ist, und als Spindrift^TM, mit einer Teilchengröße von 1 bis 15 μm, wie es im Europäischen Patent EP 0 041 508B beschrieben ist.
Viele Füllmittel sind ebenfalls Haupthandelsprodukte. Sie sind fein gepulverte anorganische Materialien, die unlöslich in Wasser sind. Sie haben nur eine geringe oder keine deckende Wirkung und werden deshalb nicht als Pigmente betrachtet. Beispiele für Füllmittel sind Oxyverbindungen von Calcium, Magnesium, Aluminium und Silicium wie Kreide, Kalkstein, Baryte, Tone (beispielsweise Kaolin oder Bentonit) und Talk Bestimmte Füllmittel werden verwendet, um die spiegelnde Erscheinung des trockenen Anstrichfilms zu vermindern; und diese werden Mattierungsmittel genannt. Das am häufigsten eingesetzte Mattierungsmittel ist fein gepulvertes Kieselgel.
Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemäßen Anstriche 5 bis 25 Vol.-% des deckenden Pigments bezogen auf das Gesamtvolumen des teilchenförmigen, nicht-filmbildenden Feststoffs, bevorzugter 8 bis 20%.
Vorzugsweise liegt der Gesamt-PVK der Anstrichzusammensetzung bei 75 bis 90%.
Vorzugsweise bestehen wenigstens 30 Gew.-% des polymeren Bindemittels aus dem Verdickungsmittel, bevorzugter wenigstens 50%. So wie das Verdickungsmittel kann das filmbildende Bindemittel auch ein dispergiertes filmbildendes Polymer, wie einen herkömmlichen Anstrichlatex, umfassen. Die Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise kein derartiges dispergiertes Polymer, aber es kann bei Bedarf ein Teil, beispielsweise bis zu 50%, 70% oder sogar bis zu 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des filmbildenden Polymers, zugesetzt werden. Derartige herkömmliche Latexe, die üblicherweise ein Acryl- oder Vinylpolymer umfassen, werden in Surface Coating Science & Technology von Swaraj Paul, John Wiley & Sons, Seite 579 beschrieben. Die Anwesenheit von bis zu 80 Gew.-% Latex als Anteil des Bindemittels ergibt noch eine verbesserte Reibungsechtheit bei hohem PVK gegenüber vergleichbaren Zusammensetzungen, bei denen das Bindemittel im Wesentlichen ganz aus Latex besteht.
Die Zusammensetzung kann auch kleine Mengen, beispielsweise 0,1 bis 7 Vol.-%, bezogen auf die getrocknete Beschichtung, eines Polymers mit Silanol-Funktionalität enthalten, obwohl diese nicht bevorzugt werden, da sie die Kosten beträchtlich erhöhen. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung weniger als 5 Vol.-% bezogen auf die getrocknete Beschichtung, bevorzugter weniger als 1% und am bevorzugtesten gar keines.
Die Zusammensetzungen können auch andere herkömmliche Anstrichkomponenten enthalten. Zum Beispiel können gefärbte Pigmente zugesetzt werden, um die benötigte Farbe des fertigen Anstrichs zu erhalten. Mittel zur Förderung der Adhäsion, Biozide, Tenside, Entschäumer sowie andere übliche Anstrichzusätze können in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung zugesetzt werden. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Konzentrat bereit, das mit Wasser verdünnt werden kann, um die oben beschriebenen Anstriche der vorliegenden Erfindung zu bilden. Das Konzentrat hat im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie der Anstrich, außer dass es weniger Wasser enthält. Somit sind der PVK und die Mengen des wasserlöslichen Polymers, bezogen auf den trockene Anstrichfilm, die gleichen. Vorzugsweise hat das Konzentrat einen Feststoffgehalt von 20 bis 50 Vol.-%. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Erzeugung eines Anstrichkonzentrats mit ungefähr dem halben Volumen des fertigen Anstrichs, das an den Verbraucher verkauft wird, der es dann auf den Feststoffgehalt für eine normale Anwendung verdünnen kann. Das kann Kosten für die Verpackung, den Transport und die Lagerung sparen. Herkömmliche Emulsionsanstriche können nicht auf diese Art formuliert werden, da ihr letztendlicher Feststoffgehalt bei 25 bis 40% liegen muss, was bedeutet, dass jeder Versuch der Formulierung eines Konzentrats mit dem halben Volumen durch das Weglassen von Wasser zu einem festen, nicht verwendbaren Produkt führen würde.
Ein nützliches Verfahren zur Überwindung einer unerwünscht hohen Viskosität des Konzentrats besteht darin, das Verdickungsmittel im Konzentrat nur teilweise, oder überhaupt nicht, zu neutralisieren, und Säure oder Base so zuzugeben, dass das Verdickungsmittel erst in der fertigen Zusammensetzung neutralisiert wird. Das Verdickungsmittel hat im Allgemeinen eine niedrige Viskosität, wenn es nicht neutralisiert ist, und so kann dieses Verfahren Konzentrate mit niedriger Viskosität liefern und gleichzeitig ermöglichen, dass die fertigen Zusammensetzungen eine Viskosität im gewünschten Bereich aufweisen.
Die Zusammensetzungen können durch das Mischen der Komponenten hergestellt werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Pigmente und Füllmittel so in Wasser zu dispergieren, dass ein Mahlansatz gebildet wird, dem dann eine wässrige Lösung des neutralisierten Verdickungsmittels zugesetzt wird. Alternativ können einige oder alle Pigmente und Füllmittel in der wässrigen Lösung des neutralisierten Verdickungsmittels dispergiert werden.
Die erfindungsgemäßen Anstriche werden in einem Beschichtungsverfahren verwendet, dass das Auftragen einer Schicht der Anstrichzusammensetzung, wie sie oben definiert wurde, auf einen Träger sowie das Trocknen oder Trocknenlassen der Schicht umfasst.
Die Anstriche können mittels herkömmlicher Verfahren aufgetragen werden, beispielsweise durch Pinseln, Sprühen oder Walzen. Die Anstriche sind am nützlichsten für Anstriche der Innen- und Außenwände von Gebäuden sowie ihrer inneren Decken. Man lässt die Anstriche im Allgemeinen bei Umgebungstemperatur (ungefähr 5 bis 30°C) trocknen, aber sie können gegebenenfalls auch erwärmt werden. Typische Träger sind die Wände und Decken von Gebäuden, die aus jedem beliebigen herkömmlichen Material, wie Stein, Ziegeln, Ytong, Putz, Gipsplattenkarton oder Holz, sein können.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele veranschaulicht.
BEISPIELE
1. Testung
Die Anstriche in diesen Beispiele wurden den folgenden Tests unterzogen.
1.1 ICI-Abriebtest
Dieser testet die Beständigkeit einer Anstrichbeschichtung gegenüber einem Nassabrieb. Der zu testende Anstrich wurde zuerst durch ein Nylonsieb von 80 um gegeben, um Klümpchen zu entfernen, und 7 Minuten im Vakuum zur Entfernung von Luft bei 1500 U/min zentrifugiert. Eine 200 μm dicke Schicht des nassen Anstrichs wurde mittels eines Blockverteilers auf eine schwarze Oberfläche eines Bogens aus Polyvinylchlorid von 165 mm Länge und 432 mm Breite aufgetragen, der als Scrub Test Panel P121-ION^TM von Leneta Company, New Jersey, USA, bezogen werden kann. Man ließ jeden angestrichenen Bogen entweder 1, 7 oder 28 Tage) (wie es in den Ergebnissen angegeben ist) bei Raumtemperatur (ungefähr 18°C) trocknen. Der Bogen wurde in acht gleiche Rechtecke von 160 mm Länge und 54 mm Breite geschnitten, und die Abriebfestigkeit eines jeden Rechtecks wurde wie folgt bestimmt.
Es wurde ein Filzläppchen an einem Stiel befestigt, der seinerseits 5 bis 10 mm vom Zentrum entfernt in einem Drehantrieb befestigt wurde, so dass der Betrieb des Antriebs dazu führte, dass das Läppchen exzentrisch eine runde Fläche von 1250 mm² abrieb. Das Läppchen wurde mit einer wässrigen Lösung von 0,5 Gew.-% des nicht-ionischen Tensids Synperonic N^TM, das von Imperial Chemical Industries PIc, Wilton, Cleveland, Großbritannien bezogen worden war, befeuchtet, und es wurde während des gesamten Tests feucht gehalten, indem weitere Detergenslösung zugegen wurde. Jedes angestrichene Rechteck wiederum wurde mit der angestrichenen Fläche nach oben auf ein Auflageplatte gelegt. Die Auflageplatte wurde von einem Arm eines Hebels getragen, der auf einem horizontalen Drehpunkt montiert war. Der andere Arm des Hebel trug ein Gewicht von 0,5 kg. Die Abstände des Zentrums der Auflageplatte und des Gewichts vom Drehpunkt betrugen 150 mm bzw. 180 mm. Das Gewicht, das über den Hebel wirkte, rotierte die Auflageplatte in die horizontale Ebene und presste sie mit konstantem Druck gegen das Läppchen. Das Läppchen ließ man dann exzentrisch auf der angestrichenen Oberfläche rotieren, bis der gesamte Anstrich von der Fläche unter dem rotierenden Läppchen entfernt war. Als Ergebnis wurde die Zahl der Umdrehungen, die dafür erforderlich war, aufgezeichnet. Der Test wurde mit allen acht Rechtecken durchgeführt und dann mit weiteren acht für den gleichen Anstrich.. Der Mittelwert dieser sechzehn Bestimmungen wurde als „ICI-Abrieb-Festigkeit" des Anstrichs festgehalten.
1.2. ICI-Opazitätstest
Der ICI-Opazitätstest wird zwar mit einem trockenen Anstrichfilm durchgeführt, aber die Ergebnisse werden auf eine Weise ausgedrückt, die einen Vergleich der wirksamen Deckfähigkeit der Anstriche ermöglicht. So steht der erhaltene Wert in Beziehung zur Fläche des Trägers (beispielsweise einer Wand oder Decke), von der man erwarten könnte, dass sie bei befriedigender Abdeckung von einem Liter der Anstrichfarbe bedeckt wird. Er hat die Einheit m²/Liter. Es handelt sich nicht um einen absoluten Wert, sondern es wird ein Vergleich verschiedener Anstriche ermöglicht. Er wird wie folgt ermittelt: Der Anstrich wurde mittels eines Blockverteilers von 150 μm auf eine 50 μm dicke, vollständig transparente Folie aus Polyethylenterephthalat (Melinex^TM, von ICI) von 280 mm mal 10 mm aufgetragen. Man ließ die aufgetragene Schicht bei Raumtemperatur (ungefähr 18°C) 7 Tage lang trocknen. Die beschichtete Folie wurde dann über einem Leuchtschirm inspiziert, und es wurden drei fehlerfreie Zonen identifiziert. Jede fehlerfreie Zone wiederum wurde so auf einen weißen Keramikziegel gegeben, dass die Anstrichschicht nach oben zeigte. Es wurde der CIE-Tristimulus-Wert Y für jede Beschichtung mittels eines Spektralphotometers gemessen, das mit einer CIE-Standard-Lichtart C und 2-Grad-Beobachtungsbedingungen arbeitete. Jede Zone wird dann auf einen schwarzen Keramikziegel gegeben, und die CIE-„Y"-Werte werden erneut wie oben bestimmt. Nach der Messung der Y-Werte wird die Dicke der Anstrichbeschichtung in jeder fehlerfreien Zone bestimmt, und es wird eine mittlere Dicke ermittelt. Zur Bestimmung der Dicke wird ein Rechteck von 36 mm² aus jeder Zone ausgestanzt, das Rechteck wird gewogen, die Beschichtung wird vollständig mit Aceton entfernt, und das Rechteck wird erneut gewogen, und dann wird unter Verwendung des Gewichts der Beschichtung, der Fläche des Rechtecks und der Dichte des Feststoffgehalts des Anstrichs das Volumen „V" des Anstrichs berechnet, das auf 1 m² verteilt würde, wenn der Anstrich mit der gleichen Geschwindigkeit aufgetragen würde. Es wird auch eine nominelle Filmdicke „T" berechnet. Die Y-Werte und die nominelle Filmdicke T werden in die Kubelka-Munk-Gleichung eingesetzt, um einen Wert für den Streuungskoeffizienten „S" nach dem Britischen Standard BS 3900 Part D7 1983 (auch bekannt als 150 6504/1-1983), Paragraph 4, zu erhalten. Der Wert für „S" multipliziert mit den Vol.-% an Feststoffen und 1000 wird als die „ICI-Opazität" verzeichnet.
2. Allgemeine Verfahren zur Herstellung der Anstrichzusammensetzunuen
Es wurden die folgenden allgemeinen Verfahren zur Herstellung verschiedener Anstriche verwendet. Die Details der Anstrichformulierungen und des für jede eingesetzten Verfahrens sind in den Tabellen 1A, 2A, 3A, 4A und 5A angegeben, und die Eigenschaften und Testergebnisse sind für jeden der entsprechenden Anstriche in den Tabellen 1B, 2B, 3B, 4B und 5B angegeben. In jeder der Tabellen ist das Verfahren, das zur Herstellung der betreffenden Zusammensetzung verwendet wurde, in Klammern nach der Nummer des Beispiels angegeben.
2.1 Verfahren A
Der Porzellanton, der Talk und das TiO₂ wurden in Wasser in einem Hochgeschwindigkeitsdispenser mit dem Dispex dispergiert. Es wurde der Guargummi langsam bei hoher Geschwindigkeit zugesetzt, und Wasser wurde zugesetzt, wenn es erforderlich war, um den Inhalt beweglich zu halten. Dieses war der Mahlansatz. Das Verdickungsmittel/Bindemittel wurde. bis zu einer Menge von 10% des gesamten Wasser mit dem Entschäumer zugesetzt. Der Mahlansatz wurde der Lösung des Verdickungsmittels unter Rühren (Flügel-Typ) zugesetzt. Es wurden das restliche Wasser und das Biozid zugesetzt, und dann wurde Ammoniaklösung zugesetzt, um den pH auf 8–9 einzustellen.
2.2 Verfahren B
Das TiO₂ wurde im Verdickungsmittel/Bindemittel mit 30% des Wassers unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsdispensers dispergiert. Der pH wurde mit Essigsäure auf 5–6 eingestellt. Es wurde der Guargummi zugesetzt und dispergiert. Es wurden der Talk und 10% des Wassers zugesetzt und dispergiert. Der Ton wurde sehr langsam mit so viel Wasser zugesetzt, wie benötigt wurde, um den Anstrich beweglich zu halten. Das restliche Wasser wurde zusammen mit der restlichen Essigsäure zugesetzt.
2.3 Verfahren C
Der Porzellanton, der Talk und das TiO₂ wurden unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsdispensers in Wasser mit dem Dispex und dem Entschäumer dispergiert: Für das Beispiel 16 wurde der Guargummi langsam bei hoher Geschwindigkeit zugesetzt, und Wasser wurde zugesetzt, wenn es benötigt wurde, um den Inhalt beweglich zu halten. Dieses war der Mahlansatz. Der Mahlansatz wurde dem DS-910-Latex unter Rühren mit einem Flügelrührer zugesetzt. Dann wurden das restliche und das Biozid zugesetzt.
2.4 Verfahren D
Es wurde der Latexanstrich (aus dem Verfahren C) dem Anstrich auf der Basis des Verdickungsmittels (Verfahren A) in unterschiedlichen Anteilen (1 : 2, 1 : 1, 2 : 1) zugesetzt.
3 Zusammensetzung des Anstrichs
Es wurden die folgenden Abkürzungen in den Beispielen verwendet: Die Brookfield-Viskosität ist in Centipoise angegeben, gemessen mittels einer Spindel Nummer 3 bei 60 U/min und 25°C.
Die Säure- und Aminwerte sind in mg KOH/g angegeben.
a) Pigmente und Füllstoffe
Porzellanton ist ein Füllstoff, der als China Clay Supreme^TM von English China Clays bezogen wurde. Talk ist ein Füllstoff, der als Luzenac OOC^TM von Luzenac bezogen wurde.
TiO₂ ist ein Titandioxidpigment, das als RTC 90^TM von Tioxide bezogen wurde.
b) Verdickungsmittel, wie sie in den Ansprüchen definiert werden
SL 511 ist Alcogum SL 511^TM, eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels mit Aminfunktionalität, das einen gemessenen Aminwert von ungefähr 135 hat und als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 280 . hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Alco Chemicals bezogen werden kann.
SL 520 ist Alcogum 520^TM, eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels mit Aminfunktionalität, das einen gemessenen Aminwert von ungefähr 130 hat und als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 890 hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Alco Chemicals bezogen werden kann.
SL 70 ist Alcogum SL 70^TM; eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels mit Säurefunktionalität, das einen gemessenen Säurewert von ungefähr 325 hat und als Lösung von 0,5 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 1170 hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Alco Chemicals bezogen werden kann.
SL 76 ist Alcogum SL 76^TM, eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels mit Säurefunktionalität, das einen gemessenen Säurewert von ungefähr 338 hat und als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 1290 hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Alco Chemicals bezogen werden kann.
DR1 ist Acrysol DR1^TM, eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels, mit Säurefunktionalität, das einen gemessenen Säurewert von ungefähr 255 hat und als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 56 hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Rohm und Haas bezogen werden kann.
PP 102 ist Polyphobe 102^TM, eine wässrige Dispersion eines Acrylpolymer-Verdickungsmittels mit Säurefunktionalität, das einen gemessenen Säurewert von ungefähr 239 hat und als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser eine Brookfield-Viskosität von 10 hat, wenn es vollständig neutralisiert ist, und das von Union Carbide bezogen werden kann.
c) Herkömmliche Verdickungsmittel
Guar ist ein Guargummi-Verdickungsmittel von Haji Dossa aus Pakistan. Blanose ist Blanose 7L2C^TM; eine Carboxymethylcellulose von Hercules Ltd.
d) Herkömmlicher Latex
DS 910 ist Rhodopas DS910^TM, ein herkömmlicher Polymerlatex auf Vinylbasis von Rhodia.
e) Sonstige Zusätze
Defoam ist ein Entschäumungsmittel Dispelair^TM von Blackburn Chemicals. Biozid ist V189^TM von KMZ Chemicals. Dispex ist Dispex N40^TM, eine Dispergierhilfe von Allied Colloids. NH₃ ist gesättigtes wässriges Ammoniak. Essigsäure ist Eisessig.
f) Weitere Abkürzungen
VNV ist der prozentuale nicht-flüchtige Volumenanteil der Zusammensetzung. PVK ist der prozentuale Volumenanteil anorganischer Komponenten (Pigmente und Füllstoffe) der nicht-flüchtigen Zusammensetzung.
Tabelle 1A Erfindungsgemäße Zusammensetzungen unter Verwendung der Verdickungsmittel Alcogum SL 511, SL 70 und SL 76 als Bindemittel
Tabelle 1A (Fortsetzung)
Tabelle 1B Eigenschaften und Testergebnisse für die Beispiele 1 bis 7 aus Tabelle 1A
Tabelle 2A Vergleichsbeispiele für Anstriche auf der Basis des herkömmlichen Vinyllatex-Bindemittels DS 910^TM
Tabelle 2B Eigenschaften und Testergebnisse für die Vergleichszusammensetzungen 8 bis 10 aus der Tabelle 2A
Tabelle 3A Beispiele für Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Werten bezüglich des nicht-flüchtigen Volumenanteils (VNV)
Tabelle 3B Eigenschaften und Testergebnisse für die Zusammensetzungen 11 bis 14 aus der Tabelle 3A
Tabelle 4A
Anstriche, die sowohl herkömmlichen Vinyllatex DS 910 als auch das Verdickungsmittel Alcogum SL 76 in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten.
Die Beispiele 15 bis 19 enthielten alle 0,11 Gewichtsteile Entschäumer, 0,03 Gewichtsteile. Biozid und 0,08 Gewichtsanteile Dispex.
Tabelle 4B Eigenschaften, und Ergebnisse für die Anstrichzusammensetzungen 15 bis 19 der Tabelle 4A
Tabelle 5A Erfindungsgemäße Anstriche, die unter Verwendung verschiedener Verdickungsmittel mit unterschiedlichen Viskositäten als Lösung von 1 Gew.-% in Wasser hergestellt wurden
Tabelle 5A (Fortsetzung)
Tabelle 5B Eigenschaften und Testergebnisse der Anstrichbeispiele 20 bis 25 aus Tabelle 5A

Claims

Eine wässrige Anstrichzusammensetzung, die ein polymeres Bindemittel und einen teilchenförmigen, nicht filmbildenden Feststoff enthält, bei der: (i) wenigstens 20% Gewichtsprozent des polymeren Bindemittels ein Verdickungsmittel ist, das ein Acryl-Additionspolymer mit Amin- oder Säurefunktionalität ist, das wenigstens teilweise neutralisiert ist, wobei das Verdickungsmittel so gewählt ist, das eine 1 Gew.-%ige Lösung des Verdickungsmittels in Wasser im Falle seiner vollständigen Neutralisierung eine Viskosität von wenigstens 10 Centipoise (gemessen unter Verwendung einer Brookfield-Spindel Nummer 3 bei 60 U/min und 25°C) aufweist, (ii) der PVK der Anstrich Zusammensetzung 65 bis 95% beträgt, (iii) das Volumen an Feststoffen der Zusammensetzung 8 bis 30% beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Volumen an Feststoffen l0 bis 20% beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei der das Volumen an Feststoffen 10 bis 15% beträgt.
Zusammensetzung nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei der das Verdickungsmittel ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von 4000 bis 200000 aufweist.
Zusammensetzung nach irgendeinem vorausgehenden An spruch, bei der das Verdickungsmittel Carbonsäuregruppen aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, bei der das Verdickungsmittel eine Säure-Zahl von mehr als 100 mgKOH/g aufweist.
Zusammensetzung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Verdickungsmittel Amingruppen aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, bei der das Verdickungsmittel eine Amin-Zahl von mehr als 70 mgKOH/g aufweist.
Zusammensetzung nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei der ausreichend Säure oder Base vorhanden ist, um wenigstens 80% der Säure- oder der Amingruppen an dem Verdickungsmittel zu neutralisieren.
Zusammensetzung nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei der das Verdickungsmittel eine Viskosität als 1 Gew.-%ige Lösung in Wasser von wenigstens 150 Centipoise aufweist.
Zusammensetzung nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, die einen PVK von 75 bis 90% aufweist.
Anstrichfarbenkonzentrat, das eine Zusammensetzung umfaßt, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird, mit einem Feststoffgehalt von 20 bis 50 Volumenprozent.
Anstrichverfahren, das das Aufbringen einer Schicht einer Zusammensetzung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, auf ein Substrat, sowie das. Trocknen oder Trocknenlassen der Schicht umfaßt.