Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanharzen, bei dem in einem Ester als Lösemittel aus

a) mindestens einer Verbindung mit 2 Hydroxyl- und/oder Aminogruppen,

b) mindestens einem Di- und/oder Polyisocyanat,

c) mindestens einer Verbindung, die zwei gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppen enthält, wobei zumindest ein Teil dieser Verbindungen mindestens eine zur Anionenbildung befähigte Gruppe aufweist, die vor oder nach dem Einbau der Komponente (1 c) in das Polyurethanmolekül neutralisiert wird, und

d) mindestens einer Verbindung mit mindestens 3 Hy¬ droxyl- und/oder Aminogruppen

ein Polyurethanharz hergestellt wird, wobei bevorzugt aus den Komponenten (a) , (b) und (c) ein endständige Isocyanatgruppen aufweisendes Zwischenprodukt herge¬ stellt wird, dessen freie Isocyanatgruppen anschließend

zumindest teilweise mit der Komponente (d) umgesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Verwen- düng der Polyurethanharze sowie die Verwendung von

Ethoxiethylpropionat als Lösemittel zur Herstellung von Polyurethanharzen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher auch Überzugsmittel, die diese Polyurethanharze enthalten, Verfahren zur Herstellung dieser Überzugsmittel sowie Verfahren zum Beschichten von Substraten unter Verwen¬ dung dieser Überzugsmittel.

Dem Fachmann sind wäßrige Polyurethandispersionen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Von technischer Bedeutung ist insbesondere das sogenannte Acetonverfah- ren. Hierbei wird im allgemeinen zunächst ein Präpoly¬ mer mit NCO-Endgruppen hergestellt, welches an¬ schließend in einem inerten Lösungsmittel gelöst wird, worauf sich gegebenenfalls die Kettenverlängerung in

Lösung zum höhermolekularen Polyurethan anschließt. Die bei dem sogenannten Acetonverfahren verwendeten Lösungsmittelzusätze von Niedrigsiedern, wie z.B. Aceton, sind u.a. notwendig, um die Viskosität des Prä- poly eren zu senken und dieses damit handhabbar zu machen, wodurch eine anschließende Dispergierung erst möglich wird.

Der Nachteil solcher Herstellverfahren ist unter der Berücksichtigung der meisten vorhandenen Forderung nach lösemittelfreien Produkten, daß ein technisch aufwendi¬ ger Destillationsschritt an das Dispergierverfahren angeschlossen werden muß, um den Niedrigsieder, wie Aceton, zumindest überwiegend zu entfernen. Ketone, wie z.B. Aceton, bedingen nämlich schlechte lacktechnologi- sehe Eigenschaften im wäßrigen System. Zudem sind

Ketone, wie Aceton, fischgiftig und zeichnen sich durch

relativ niedrige Flammpunkte (Aceton - 18"C, Methyl- ethylketon - 4,4°C und Methylisobutylketon + 15,5°C) aus. In den USA sind Methylethylketon und Methylisobu¬ tylketon auf der Liste der gefährlichen luftver- schmutzenden Substanzen, so daß auch Restmengen im Lack vermieden werden sollten.

Der Austausch von Ketonen gegen andere Lösemittel wird in einem Stripp-Prozeß durchgeführt. Hierbei entfernt man das Keton im Gemisch mit dem zweiten Lösemittel unter Vakuum. Dies bedeutet einen zusätzlichen Verfah¬ rensschritt, der das Verfahren nicht nur verkompli¬ ziert, sondern auch zu einer Verteuerung des Produkts führt. Dies nicht zuletzt deshalb, weil das vorzugs¬ weise eingesetzte Aceton nicht wieder ohne weiteres in den Prozeß zurückgeführt werden kann, da bevorzugt was¬ serfreies Aceton eingesetzt wird. Somit stellt sich für den Fachmann die Frage, ob und ggf. bis zu welcher Menge ein Restlosemittelgehalt akzeptabel ist, da davon der Verfahrensaufwand abhängt. Um die Forderung nach einem gänzlich lösemittelfreien, nach diesem Verfahren hergestellten Produkt zu erfüllen, ist ein vergleichs¬ weiser hoher Aufwand notwendig.

Es besteht daher der ^" Wunsch nach Lösemittelersatzstof- fen, die statt der bislang bekannten verwendeten Löse¬ mittel bei der Herstellung von wäßrigen Polyurethan¬ dispersionen eingesetzt werden können. Die zu Ketonen alternativ verwendeten Lösemittel müssen dabei einige Anforderungen erfüllen:

Zündtemperaturen > 200°C inert gegenüber Isocyanaten (auch eventuelle Verun¬ reinigungen) großtechnisch verfügbar - ausreichende Wassermischbarkeit (kann eventuell durch Cosolventien verbessert werden)

Flammpunkt > 55"C lacktauglich (Verdampfbarkeit) günstiger Preis geeigneter Siedepunkt.

Neben Ketonen sind grundsätzlich auch Ether und Ester zur Synthese von Polyurethanharzen einsetzbar. Aus der DE-OS-40 13 546 ist es daher bekannt, mit Essigsäure veresterte Propandiole und/oder Triole als Lösemittel für die Herstellung von Polyurethandispersionen nach an sich bekannten Verfahren einzusetzen.

Die Verwendung dieser in der DE-OS-40 13 546 beschrie¬ benen Lösemittel weist aber den Nachteil auf, daß Ester der Essigsäure, wie z.B. Methoxipropylacetat, Ethoxi- propylacetat und Butoxipropylacetat, im allgemeinen hydrolyseempfindlich sind. Außerdem sind sie nicht zur Herstellung von Polyurethanen bei erhöhten Temperaturen von 100 bis 130°C geeignet, da sie sich im Reaktionsge- misch bei diesen Temperaturen bereits merklich zer¬ setzen. Aufgrund immer schärferer Umweltauflagen besteht jedoch die Forderung nach möglichst festkörper¬ reichen Polyurethanharzlösungen, deren Herstellung zur Beherrschung der Viskositätsprobleme aber die Anwendung erhöhter Temperaturen erfordert. Außerdem sind höhere Temperaturen aufgrund der damit verbundenen Reaktions¬ zeitverkürzung wünschenswert.

Ferner ist beispielsweise Methoxipropylacetat in der Praxis ungeeignet, da es mit 50 ppm einen zu niedrigen MAK-Wert (maximale Arbeitsplatzkonzentration) aufweist. Außerdem ist Methoxipropylacetat in der Schwanger¬ schaftsgruppe C eingestuft. Ethoxipropylacetat weist den Nachteil auf, daß die resultierenden Polyurethanlö¬ sungen eine sehr hohe Viskosität aufweisen. Butoxipro- pylacetat schließlich scheidet aufgrund der schlechten Wasserlöslichkeit aus.

Aus der DE-OS 41 10 520 ist es bekannt, Polyurethan¬ harze in solchen Lösemitteln herzustellen, die im Lack verbleiben und nicht ausgetauscht werden müssen. Als Beispiele für geeignete Lösemittel werden Methoxipro¬ pylacetat, Ethoxiethylacetat (gebräuchliche Bezeichnung für Ethylenglykol onoethyletheracetat) und N-Methyl- pyrrolin genannt. Die genannten Acetate weisen jedoch die bereits aufgeführten Nachteile auf. Darüber hinaus weist Ethoxiethylacetat den Nachteil auf, daß dieses Lösemittel aufgrund der geltenden Bestimmungen bei¬ spielsweise in den USA nicht zum Einsatz gelangen kann. Diese aus der DE-OS 41 10 520 genannten Acetate kommen daher in der Praxis ebenfalls nicht zum Einsatz. N-Methylpyrrolidon (NMP) schließlich weist den Nachteil auf, daß es insbesondere bei niedrigen Temperaturen nicht aus dem Lackfilm abdampft. Zudem weisen die in NMP hergestellten Harze im Vergleich zu in EEP herge¬ stellten Harzen höhere Viskositäten auf. Darüber hinaus ist die Farbzahl der in NMP hergestellten Harze höher.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Poly¬ urethanharzen zur Verfügung zu stellen, das die kosten- günstige und Strippprozeßfreie Herstellung von Poly¬ urethandispersionen ermöglicht. Dabei sollte das Ver¬ fahren auch die Herstellung festkörperreicher Poly¬ urethanharzlösungen ermöglichen. Ferner sollten die nach diesem Verfahren hergestellten Polyurethandisper- sionen bei dem Einsatz in wäßrigen Überzugsmitteln zu Beschichtungen führen, deren mechanische Eigenschaften möglichst weitgehend den Eigenschaften der Beschichtun¬ gen entsprechen, die unter Verwendung herkömmlich her¬ gestellter Polyurethandispersionen erhalten werden.

Diese Aufgabe wird überraschenderweise durch ein Ver¬ fahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Polyurethanharz in Ethoxi¬ ethylpropionat (EEP) als Lösemittel hergestellt wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung der Polyurethanharze sowie die Verwendung von Ethoxiethylpropionat als Lösemittel zur Herstellung von Polyurethanharzen. Außerdem betrifft die Erfindung auch Überzugsmittel, die diese Polyurethanharze enthal¬ ten, Verfahren zur Herstellung dieser Überzugsmittel sowie Verfahren zum Beschichten von Substraten unter Verwendung dieser Überzugsmittel und mit diesen Über¬ zugsmitteln beschichtete Substrate.

Es ist überraschend und war nicht vorhersehbar, daß gerade der Einsatz von Ethoxiethylpropionat als Löse¬ mittel zur Herstellung von Polyurethandispersionen in an sich bekannten Verfahren die stripprozeßfreie, kostengünstige Herstellung von Polyurethandispersionen ermöglicht. Dabei ist Ethoxiethylpropionat kommerziell verfügbar und ohne weiteres in größeren Mengen erhält¬ lich. Vorteilhaft ist ferner, daß bei Verwendung von Ethoxiethylpropionat als Lösemittel aufgrund der guten Viskositätsregulierenden Eigenschaften und der guten Beständigkeit bei erhöhten Temperaturen auch festkör¬ perreiche Polyurethanharzlösungen hergestellt werden können. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge¬ stellten Polyurethanharzlösungen sind dabei über eine lange Zeitspanne von ca. mindestens 12 Monaten lager¬ stabil. Außerdem weist die Verwendung von Ethoxiethyl¬ propionat als Lösemittel in den bekannten Verfahren zur Herstellung der Polyurethandispersionen den Vorteil auf, daß die anderen Verfahrensparameter nicht wesent- lieh geändert werden müssen. Schließlich weisen

Beschichtungen, die unter Verwendung der erfindungsge-

maß hergestellten Polyurethandispersionen hergestellt wurden, gute mechanische Eigenschaften auf, die mit den Eigenschaften von Beschichtungen vergleichbar sind, die unter Verwendung herkömmlich hergestellter Polyurethan- dispersionen erhalten wurden.

Im folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Es ist erfindungswesentlich, daß in den an sich bekann¬ ten Verfahren zur Herstellung von Polyurethandisper¬ sionen Ethoxiethylpropionat als Lösemittel anstelle der üblicherweise eingesetzten Lösemittel verwendet wird. Ethoxiethylpropionat (auch 3-Ethoxipropionsäureethyl- ester genannt) ist dabei in hervorragenderweise als Ersatzstoff für diese bislang üblichen und bekannten Lösemittel geeignet. Ethoxiethylpropionat ist gegenüber den zur Herstellung der Polyurethanharze eingesetzten Ausgangsstoffe nicht reaktiv und die erhaltenen Poly- urethanharzlösungen sind über einen langen Zeitraum (mindestens 12 Monate) lagerstabil. Ethoxiethylpro¬ pionat ist außerdem kommerziell verfügbar und ohne weiteres in größeren Mengen erhältlich. Bei Einsatz von Ethoxiethylpropionat als Lösemittel anstelle der bislang üblichen Lösemittel müssen außer¬ dem die anderen Verfahrensparameter nicht wesentlich geändert werden. Eine Umstellung auf das erfindungsge¬ mäße Verfahren kann daher einfach und schnell sowie kostengünstig durchgeführt werden.

Unter Umständen kann es angezeigt sein, bei dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren bei einem erhöhten Reaktions¬ festkörper (d.h. Lösemittelgehalt bei der Herstellung des Polyurethanharzes bevorzugt von weniger als 20 Gew.-%, bezogen auf den Festkörper) und/oder Erhö¬ hung des Anteils an Modifizierungsmittel und/oder Erhö-

hung der Reaktionstemperatur (besonders bevorzugter Bereich 100 bis 130°C) zu arbeiten, um so zu gewähr¬ leisten, daß das zahlenmittlere Molekulargewicht des erhaltenen Polyurethanharzes dem zahlenmittleren Mole- kulargewicht des auf herkömmliche Weise hergestellten Harzes entspricht. Dies kann aber anhand weniger Routi¬ neversuche leicht ermittelt werden.

Die zur Herstellung der Polyurethanharzlösungen bzw. Polyurethandispersionen geeigneten Ausgangsstoffe, wie z.B. Polyole, Isocyanate, Kettenverlängerungsmittel, reaktive zur Salzbildung befähigte Komponenten sowie weitere Hilfsstoffe, sind bekannt, und beispielsweise in den folgenden Schriften beschrieben:

DE-OS 26 24 442, DE-OS 32 10 051, EP-A 355 433, DE-OS 35 45 618, DE-OS 38 13 866, DE-OS 40 05 961 , DE-OS 41 10 520 und DE-OS 40 13 546. Wegen Beispielen für geeignete Aufbaukomponenten der Polyurethanharze sei daher auf diese Schriften verwiesen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Polyurethanharzes wird bevorzugt zunächst ein iso- cyanatgruppenaufweisendes Präpolymer hergestellt, aus dem dann durch weitere Umsetzung, bevorzugt Kettenver¬ längerung, das gewünschte Polyurethanharz hergestellt wird. Die Umsetzung der Komponenten (a) , (b) und (c) erfolgt dabei nach den gut bekannten Verfahren der organischen Chemie (vgl. z.B. Kunststoff-Handbuch, Band 7: Polyurethane, herausgegeben von Dr. Y. Oertel,

Karl-Hanser-Verlag, München, Wien 1983) , wobei bevor¬ zugt eine stufenweise Umsetzung der Komponenten (z.B. Bildung eines ersten Zwischenproduktes aus den Kompo¬ nenten (a) und (b) , das dann mit (c) zu einem zweiten Zwischenprodukt umgesetzt wird) durchgeführt wird. Es ist aber auch eine gleichzeitige Umsetzung der Ko po-

nenten (a) , (b) und (c) möglich. Beispiele für die Her¬ stellung der Präpolymeren sind in der DE-OS 26 24 442 und der DE-OS 32 10 051 beschrieben. Daneben ist zur Herstellung der Polyurethanharze aber auch eine gleich- zeitige Umsetzung der Komponenten (a) , (b) , (c) und (d) möglich.

Die Reaktionstemperatur bei der Herstellung des Präpo¬ lymers aus den Komponenten (a) , (b) und (c) beträgt üblicherweise bis zu 150°C, bevorzugt zwischen 80 und 150°C, besonders bevorzugt 100 bis 120°C. Höhere Reak¬ tionstemperaturen von 100 bis 120°C führen dabei zur Reaktionszeitverkürzung und sind außerdem bei der Her¬ stellung festkörperreicher Polyurethanharzlösungen erwünscht, da so eine leichtere Handhabbarkeit der Harzlösungen (Viskositätserniedrigung) gegeben ist.

Die Umsetzung der Komponenten (a) , (b) und (c) erfolgt in Ethoxiethylpropionat als Lösemittel. Die Menge an Ethoxiethylpropionat kann dabei in weiten Grenzen variieren und sollte zur Bildung einer Präpolymerlösung mit geeigneter Viskosität ausreichen. Im allgemeinen werden bis zu 70 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 50 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 20 Gew.-% Lösemittel, bezogen auf den Festkörper, eingesetzt. So kann die

Umsetzung beispielsweise ganz besonders bevorzugt bei einem Lösemittelgehalt von 10 - 15 Gew.-% EEP, bezogen auf den Festkörper, durchgeführt werden. Die Umsetzung der Komponenten (a) , (b) und (c) kann gegebenenfalls in Gegenwart eines Katalysators, wie Organozinnverbindungen und/oder tertiären Aminen, erfolgen.

Zur Herstellung der Präpolymeren werden die Mengen der Komponenten (a) , (b) und (c) so gewählt, daß das Äqui- valentverhältnis von NCO- zu OH-Gruppen zwischen

2,0 : 1,0 und > 1,0 : 1,0, bevorzugt zwischen 1,4 : 1 und 1,1 : 1, liegt.

Das NCO-Präpolymer enthält wenigstens etwa 0,5 Gew.-% Isocyanatgruppen, vorzugsweise wenigstens 1 Gew.-% NCO, bezogen auf den Feststoff. Die obere Grenze liegt bei etwa 15 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-%, besonders bevorzugt bei 5 Gew.-% NCO.

Die zur Herstellung des Präpolymeren eingesetzten Poly- ole (Komponente (a) ) können niedermolekular und/oder hochmolekular sein und sie können reaktionsträge anionische Gruppen enthalten. Um die Härte des Poly¬ urethans zu erhöhen, kann man niedermolekulare Polyole einsetzen. Sie haben ein Molekulargewicht von 60 bis zu etwa 400 und können aliphatische, alicyclische oder aromatische Gruppen enthalten. Es werden dabei Mengen von bis zu 30 Gew.-% der gesamten Polyolbestandteile, bevorzugt etwa 2 bis 20 Gew.-%, eingesetzt. Um ein NCO-Präpoly eres hoher Flexibilität zu erhalten, sollte ein hoher Anteil eines überwiegend linearen

Polyols mit einer bevorzugten OH-Zahl von 30 bis 150 mg KOH/g zugesetzt werden. Bis zu 97 Gew.-% des gesamten Polyols können aus gesättigten und ungesättigten Poly- estern und/oder Polyethern mit einer zahlenmittleren Molmasse Mn von 400 bis 5000 bestehen. Die ausgewählten Polyetherdiole sollten keine übermäßigen Mengen an Ethergruppen einbringen, weil sonst die gebildeten Polymere in Wasser anquellen. Polyesterdiole werden durch Veresterung von organischen Dicarbonsäuren oder ihren Anhydriden mit organischen Diolen hergestellt oder leiten sich von einer Hydroxicarbonsäure oder einem Lacton ab. Um verzweigte Polyesterpolyole herzu¬ stellen, können in geringem Umfang Polyole oder Poly- carbonsäuren mit einer höheren Wertigkeit eingesetzt werden. Bevorzugt werden lineare Polyesterdiole ein¬ gesetzt.

Als Beispiele für Polyetherpolyole seien Polyoxialky- lenpolyole, insbesondere Polyoxipropylenglykole mit einem Molekulargewicht von 300 bis 3000 (Zahlenmittel) , genannt. Es können als Komponente (a) auch Polyesterpolyole ein¬ gesetzt werden, deren Säurekomponente zumindest zum Teil aus dimeren Fettsäuren besteht. Derartige Systeme sind beispielsweise in der US-PS 4 423 179 beschrieben. Außer den aufgeführten Diolen sind zur Herstellung des Präpolymeren als Komponente (a) auch aminogruppenhal- tige Verbindungen geeignet, bevorzugt werden jedoch die aufgeführten Di- und Polyole eingesetzt.

Als typische multifunktionelle Isocyanate (Komponente (b) ) werden aliphatische, cycloaliphatische und/oder aromatische Polyisocyanate mit mindestens 2 Isocyanat¬ gruppen pro Molekül verwendet. Bevorzugt werden die isomeren oder isomeren Gemische von organischen Di- isocyanaten. Aufgrund ihrer guten Beständigkeit gegen- über ultraviolettem Licht ergeben (cyclo)aliphatische Diisocyanate Produkte mit geringer Vergilbungsneigung. Die zur Bildung des Präpolymeren gebrauchte Polyiso- cyanatkomponente kann auch einen Anteil höherwertiger Polyisocyanate enthalten, vorausgesetzt, dadurch wird keine Gelbildung verursacht. Als Triisocyanate haben sich Produkte bewährt, die durch Trimerisation oder Oligomerisation von Diisocyanaten oder durch Reaktion von Diisocyanaten mit polyfunktionellen OH- oder NH-Gruppen enthaltenden Verbindungen entstehen. Die mittlere Funktionalität kann gegebenenfalls durch Zusatz von Monoisocyanaten gesenkt werden.

Zur Herstellung festkörperreicher Polyurethanharzlösun¬ gen werden insbesondere Diisocyanate der allgemeinen Formel (I)

R ^J

eingesetzt, wobei X für einen zweiwertigen, aromati¬ schen Kohlenwasserstoffrest, vorzugsweise für einen gegebenenfalls Halogen-, Methyl- oder Methoxi-substi- tuierten Naphthylen-, Diphenylen- oder 1,2-, 1,3- oder 1,4-Phenylenrest, besonders bevorzugt für einen 1,3-Phenylenrest und R-^ und R ₂ für einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt für einen Methylrest, stehen.

Diisocyanate der Formel (I) sind bekannt (ihre Herstel¬ lung wird beispielsweise in der EP-A 101 832, US-PS 3,290,350, US-PS 4,130,577 und der US-PS 4,439,616 beschrieben) und zum Teil im Handel erhältlich (l,3-Bis(2-isocyanatoprop-2-yl)benzol wird beispiels¬ weise von der American Cynamid Company unter dem Handelsnamen TMXDI (META)®verkauft) .

Zusätzlich zu den Diisocyanaten der Formel (I) oder stattdessen können auch noch andere aliphatische und/oder cycloaliphatische und/oder aromatische Poly¬ isocyanate eingesetzt werden. Als Beispiele für zu¬ sätzlich einsetzbare Polyisocyanate werden 1,3- und 1,4-Phenylendiisocyanat, 2,4- und 2,6-Toluylendiiso- cyanat, Xylylendiisocyanat, 4,4'-Bisphenylendiiso- cyanat, 1,4- und 1,5-Naphthylendiisocyanat, Diphenyl- methandiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Cyclopenty- lendiisocyanat, Cyclohexylendiisocyanat, Methylcyclo- hexylendiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat, Trimethylendiisocyanat, Tetramethylendiisocyanat, Pentamethylendiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat,

Propylendiisocyanat, Ethylethylendiisocyanat und Trimethylhexandiisocyanat genannt.

Polyurethane sind im allgemeinen nicht mit Wasser ver- träglich, wenn nicht bei ihrer Synthese spezielle

Bestandteile eingebaut und/oder besondere Herstellungs¬ schritte vorgenommen werden. So können zur Herstellung der Polyurethanharze Verbindungen verwendet werden, die zwei mit Isocyanatgruppen reagierende H-aktive Gruppen und mindestens eine Gruppe enthalten, die die Wasser- dispergierbarkeit gewährleistet (Trägergruppen) . Geeignete Trägergruppen sind nichtionische Gruppen (z.B. Polyether) , anionische Gruppen, Gemische dieser beiden Gruppen oder kationische Gruppen.

So kann eine so große Säurezahl in das Polyurethanharz eingebaut werden, daß das neutralisierte Produkt stabil in Wasser zu dispergieren ist. Hierzu dienen Verbindun¬ gen, die zwei mit Isocyanatgruppen reagierende H-aktive Gruppen und mindestens eine zur Anionenbildung befä¬ higte Gruppe enthalten. Geeignete, mit Isocyanatgruppen reagierende Gruppen sind insbesondere Hydroxylgruppen sowie primäre und/oder sekundäre Aminogruppen. Gruppen, die zur Anionenbildung befähigt sind, sind Carboxyl-, Sulfonsäure- und/oder Phosphonsäuregruppen. Bevorzugt werden Carbonsäure- oder Carboxylatgruppen verwendet. Sie sollen so reaktionsträge sein, daß die Isocyanat¬ gruppen des Diisocyanats vorzugsweise mit den anderen gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Gruppen des Mole- küls reagieren. Es werden dazu Alkansäuren mit 2 Sub- stituenten am α-ständigen Kohlenstoffatom eingesetzt. Der Substituent kann eine Hydroxylgruppe, eine Alkyl- gruppe oder eine Alkylolgruppe sein. Diese Polyole haben wenigstens eine, im allgemeinen 1 bis 3 Carboxyl- gruppen im Molekül. Sie haben 2 bis etwa 25, vorzugs¬ weise 3 bis 10 Kohlenstoffatome. Das carboxylgrup-

penenthaltende Polyol kann 3 bis 100 Gew.-%, vorzugs¬ weise 5 bis 50 Gew.-%, des gesamten Polyol-Bestandteils im NCO-Präpolymeren ausmachen.

Die durch die Carboxylgruppenneutralisation in Salzform verfügbare Menge an ionisierbaren Carboxylgruppen beträgt im allgemeinen wenigstens 0,4 Gew.-%, vorzugs¬ weise wenigstens 0,7 Gew.-%, bezogen auf den Feststoff. Die obere Grenze beträgt etwa 6 Gew.-%. Die Menge an Dihydroxialkansäuren im unneutralisierten Präpolymer ergibt eine Säurezahl von wenigstens 5, vorzugsweise wenigstens 10. Bei sehr niedrigen Säurezahlen sind im allgemeinen weitere Maßnahmen zur Erzielung der Wasser- dispergierbarkeit erforderlich. Die obere Grenze der Säurezahl liegt bei 70, vorzugs¬ weise bei 40 mg KOH/g, bezogen auf den Feststoff. Bevorzugt liegt die Säurezahl im Bereich von 20 bis 30 mg KOH/g.

Als Verbindung, die mindestens 2 mit Isocyanatgruppen reagierende Gruppen und mindestens eine zur Anionenbil¬ dung befähigte Gruppe enthält, sind beispielsweise Dihydroxipropionsäure, Dimethylolpropionsäure, Dihy- droxibernsteinsäure oder Dihydroxibenzoesäure geeignet. Geeignet sind auch die durch Oxidation von Monosacharin zugänglichen Polyhydroxisäuren, zum Beispiel Glykol- säure, Zuckersäure, Schleimsäure, Glykuronsäure und dergleichen.

Aminogruppenhaltige Verbindungen sind beispielsweise α,<£-Diaminovaleriansäure, 3,4-Diaminobenzoesäure, 2,4-Diamino-toluol-sulfonsäure-5, 4,4 ^** -Diamino-di-phe- nylethersulfonsäure und dergleichen.

Geeignete tertiäre A ine zur Neutralisation der anioni¬ schen Gruppen sind beispielsweise Trimethylamin, Tri-

ethylamin, Dimethylanilin, Diethylanilin, Triphe- nylamin, Dimethylethanolamin und dergleichen. Erfolgt die Neutralisation in organischer Phase, wird bevorzugt Triethylamin eingesetzt, bei der Neutralisation in wäßriger Phase bevorzugt Dimethylethanolamin. Als Ver¬ bindungen, die zwei gegenüber Isocyanatgruppen reaktive Gruppen aufweisen, jedoch frei von zur Anionenbildung befähigten Gruppen sind, können beispielsweise nieder¬ molekulare Diole oder Diamine mit primären oder sekun- dären Aminogruppen eingesetzt werden.

In einer zweiten Stufe werden die noch vorhandenen Isocyanatgruppen des Präpolymers mit einem Modifizie¬ rungsmittel umgesetzt. Diese Reaktion führt insbeson- dere zu einer weiteren Verknüpfung und Erhöhung des

Molekulargewichts. Die Menge dieses Modifizierungsmit¬ tels wird durch seine Funktionalität und den NCO-Gehalt des Präpolymeren bestimmt. Das Äquivalentverhältnis der aktiven Wasserstoffatome im Modifizierungsmittel zu den NCO-Gruppen im Präpolymer sollte in der Regel geringer als 4:1 sein und vorzugsweise im Bereich zwischen 3:1 und 2:1 liegen.

Bevorzugt werden als Modifizierungsmittel für die Um- setzung mit dem Präpolymer Di-, besonders bevorzugt Tri- und/oder Polyole eingesetzt.

Es können aber auch andere Verbindungen mit aktiven Wasserstoffatomen als Modifizierungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise Polyamine, allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Umsetzung des Präpolymers mit dem Modifizierungsmittel in einem organischen Löse¬ mittel durchführbar (kontrollierbar) ist und bei dieser Reaktion keine unerwünschten Reaktionen, wie zum Bei- spiel die beim Einsatz von Polyaminen häufig beobach-

tete Gelierung an der Eintropfstelle des Amins, auf¬ treten.

Als Beispiel für mindestens 3 Hydroxylgruppen enthal- tende Polyole seien Trimethylolpropan, Glycerin, Digly- cerin, Erythrit, Mesoerythrit, Arabit, Adonit, u.s.w. genannt. Bevorzugt wird Trimethylolpropan eingesetzt. Die Umsetzung des Präpolymers mit dem Tri- und/oder Polyol wird vorzugsweise durch die Stöchiometrie der eingesetzten Verbindungen so gesteuert, daß es zur Kettenverlängerung kommt.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herge¬ stellten Polyurethanharze weisen üblicherweise ein zah- lenmittleres Molekulargewicht von 1.000 bis 30.000, bevorzugt 1.500 bis 20.000 (bestimmt jeweils gelper- meationschro atographisch mit Polystyrol als Standard) , sowie eine Säurezahl von 5 bis 70 mg KOH/g, bevorzugt 10 bis 30 mg KOH/g, auf.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, in Ethoxiethylpropionat gelösten Polyurethanharze werden üblicherweise noch mit anderen Lösemitteln weiter verdünnt, so daß bevorzugt Polyurethanharzlösun- gen mit einem Festkörpergehalt von bis zu 70 Gew.-%, besonders bevorzugt mit einem Festkörpergehalt von 50 bis 60 Gew.-%, erhalten werden. Werden jedoch bereits bei der Herstellung der Polyurethanharze größere Mengen Ethoxiethylpropionat eingesetzt, so kann auch auf das Verdünnen mit anderen organischen Lösemitteln verzich¬ tet werden.

Beispiele für zum Verdünnen der Polyurethanharzlösung geeignete Lösemittel sind Butoxipropanol, Methoxibuta- nol, Propylenglykolmonopropylether, Propylenglykolmo- noisopropylether, Methyldiglykol und Propylenglykol-

mono-tert.-butylether. Die Auswahl dieser Lösemittel richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften der Überzugsmittel.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, in Ethoxiethylpropionat hergestellten und ggf. weiter verdünnten Polyurethanharzlösungen können direkt zur Herstellung der Basisfarben eines Mischsystems einge¬ setzt werden. In diesem Fall werden in die erhaltenen Polyurethanharzlösungen - wie in der DE-OS 41 10 520 beschrieben - nach dem Fachmann bekannten Methoden durch Mischen und gegebenenfalls Dispergieren die wei¬ teren Bestandteile der Basisfarben, wie zum Beispiel Pigmente, übliche Hilfs- und Zusatzstoffe sowie gegebe- nenfalls andere, zusätzliche Bindemittel u.a., ein¬ gearbeitet.

Zur Herstellung von wasserverdünnbaren Überzugsmitteln unter Verwendung des Mischsystems werden dann kurz vor der Applikation des Überzugsmittels die für den gewünschten Farbton benötigten wasserfreien Basisfarben sowie mindestens eine wasserenthaltende, pigmentfreie Komponente gemischt.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, Ethoxiethylpropionat enthaltenden Polyurethanharzlösun¬ gen eignen sich außerdem zur Herstellung wäßriger Über¬ zugsmittel. In diesem Fall wird die nach dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren hergestellte Ethoxiethylpro- pionat enthaltende Polyurethanharzlösung in eine wä߬ rige Phase überführt, indem die Lösung nach dem Fach¬ mann gut bekannten Methoden in Wasser dispergiert wird. Im Gegensatz zu den nach herkömmlichen Verfahren herge¬ stellten Polyurethanharzlösungen ist es nicht erforder- lieh, das als Lösemittel verwendete Ethoxiethylpro¬ pionat abzudestillieren. Das Ethoxiethylpropionat kann

vielmehr im Überzugsmittel verbleiben. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, dem erhaltenen wäßrigen Über¬ zugsmittel noch weitere Cosolventien zuzusetzen. Hierzu eignet sich insbesondere Butoxipropanol, da mit Butoxi- propanol als Cosolvens hervorragende Applikationsergeb¬ nisse sowie hervorragende optische und mechanische Eigenschaften der resultierenden Beschichtung erzielt werden. Daneben sind - je nach Einsatzzweck und Anfor¬ derungsprofil der Überzugsmittel - auch noch andere Lösemittel als Cosolventien geeignet, wie zum Beispiel 3-Methoxibutanol, Propylenglykolmonopropylether, Propy- lenglykolmonotert.-butylether, Propylenglykolmonoiso- propylether und Butylglykol.

Zur Herstellung wäßriger Überzugsmittel ist es aber auch möglich, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, in Ethoxiethylpropionat gelösten Poly¬ urethanharze zunächst mit den obengenannten Cosolven¬ tien weiter zu verdünnen und diese verdünnten Poly- urethanharzlösungen dann nach dem Fachmann gut bekann¬ ten Methoden in Wasser zu dispergieren. Je nach gewähl¬ ten Cosolventien ist so die Dispergierung in Wasser ggf. leichter möglich.

Die Herstellung der wäßrigen Überzugsmittel aus den erfindungsgemäß hergestellten Polyurethandispersionen durch Einarbeiten der übrigen Bestandteile, wie zum Beispiel Pigmente, Hilfs- und Zusatzstoffe, weitere Bindemittel u.a., erfolgt nach gut bekannten, üblichen Methoden (Mischen und ggf. Dispergieren) und braucht daher nicht näher erläutert zu werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyurethanharze eignen sich insbesondere für den Ein- satz in Beschichtungsmitteln, die zur Herstellung mehr¬ schichtiger Überzüge verwendet werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen, schützenden und/oder dekorativen Überzuges auf einer Substratoberfläche, bei dem

1.) eine Basislackbeschichtungszusammensetzung aufge¬ bracht wird,

2.) aus der in Stufe (1) aufgebrachten Zusammensetzung ein Polymerfilm auf der Oberfläche gebildet wird,

3.) auf der so erhaltenen Basisschicht ein transparen¬ ter Decklack aufgebracht wird und

4.) die Deckschicht zusammen mit der Basisschicht gehärtet wird.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die in Stufe (1) aufgebrachte Basislackbeschichtungszusammen- Setzung und/oder der in Stufe (3) aufgebrachte Decklack ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Polyurethanharz enthält.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten wäßrigen Polyurethandispersionen eignen sich ferner insbesondere für die Herstellung wäßriger Überzugsmit¬ tel für die Beschichtung von Automobilkarossen (Serienlackierung) und/oder Kunststoffteilen. Sie kön¬ nen aber auch auf anderen Substraten, z.B. Glas, Metal- len, Holz u.a. appliziert werden. Ferner werden sie bevorzugt für die Herstellung von wasserverdünnbaren Reparaturlacken, insbesondere im Bereich der Autorepa- raturlackierung, eingesetzt. Insbesondere sind sie gut für die Herstellung von wäßrigen Basislacken für die Reparaturlackierung von Automobilen geeignet. Daneben finden die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethan-

dispersionen aber auch noch vielfältige, andere Anwen¬ dungsgebiete, angefangen bei Klebstoffen über Leder- finishmassen bis hin zu Überzugsmitteln für die unter¬ schiedlichsten Anwendungsgebiete, zum Beispiel Füller oder Überzugsmittel für Industriegüter, Großmaschinen u.a..

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert. Alle Angaben über Teile und Prozente sind dabei Gewichtsangaben, falls nicht ausdrücklich etwas anderes festgestellt wird.

Polyester A

In einer für die Polyestersynthese üblichen Apparatur werden 891,2 Teile Pripol 1013 (handelsübliche Dimer- fettsäure mit einem Monomerengehalt von maximal 0,1 %, einem Trimerengehalt von maximal 2 %, einer Säurezahl von 195 bis 198 mg KOH/g und einer Verseifungszahl von 198 - 202 mg KOH/g), 292,8 Teile Hexandiol-1,6, 360,3 Teile Isophthalsäure und 250,7 Teile Neopentylglykol mit Xylol als Schleppmittel bis zu einer Säurezahl < 5,0 umgesetzt. Das Xylol wird abdestilliert und der Polyester bis zu einer Säurezahl von 3 - 4 gefahren. Der Ansatz wird auf 110°C abgekühlt und mit Ethyl- ethoxipropionat auf 70,2 % Festkörper angelöst. Der Polyester A weist einen M _n -Wert von 2333 und einem M _w -Wert von 4912 auf.

Polyester B

In einer für die Polyestersynthese üblichen Apparatur werden 371,2 Teile Pripol 1013, 107,7 Teile Cyclohexan- dimethanol, 723,3 Teile Hydroxipivalinsäureneopentyl-

glykolester, 17,2 Teile Ethylbutylpropandiol, 392,6 Teile Neopentylglykol, 0,8 Teile n-Butylzinnoxidhydrat und 1018,7 Teile Isophthalsäure mit Cyclohexan als Schleppmittel bis zu einer Säurezahl < 5,0 umgesetzt. Das Cyclohexan wird abdestilliert und der Polyester bis zu einer Säurezahl von < 1,5 gefahren. Der Ansatz wird auf etwa 110°C abgekühlt und mit Ethylethoxipropionat auf 79,5 % angelöst. Der Polyester B weist einen M _n -Wert von 2352 und einen M _w -Wert von 4578 auf.

Polyester C

Dieser Polyester entspricht Polyester B, jedoch in N-Methylpyrrolidon auf 79,5 % FK angelöst.

Beispiele 1 a, l b, l c und l d (Herstellung der Poly¬ urethanharzlösungen la - ld)

In einem 5 1 Reaktionsgefäß mit Rührer und Rückflußküh¬ ler wird eine Mischung aus 1.462,6 Teilen des Poly- esterdiols A, 14,7 Teilen Neopentylglykol, 89,4 Teilen Dimethylolpropionsäure und 450,9 Teilen Tetramethyl- xyloldiisocyanat auf eine Reaktionstemperatur von a)

95°C, b) 105°C, c) 115°C bzw. d) 125°C erhitzt, bis ein konstanter NCO-Wert des Gemisches erreicht ist. An¬ schließend gibt man pro Mol Diisocyanatpräpolymer die 1,78-fache Menge an Molen Trimethylolpropan hinzu und läßt abreagieren, bis der Isocyanatgehalt praktisch

Null ist. Das Gemisch wird mit 924 Teilen Butoxipropa- nol angelöst und auf einmal mit 55,7 Teilen N,N-Di- methylethanolamin bei einer Temperatur von 100°C versetzt. Abschließend wurde ein Festkörper von 60 % mit Butoxipropanol eingestellt.

Die Messung der GPC's erfolgte mit Tetrahydrofuran als mobiler Phase bei einer Flußrate von 0,9 ml/min und einem mittleren Druck von 24 bar an einer Trennsäule der Fa. Waters (Kombi) und Polystyrol als Standard.

Beispiel l a l b l c l d

Reaktionstemperatur °C 95 105 115 125

M _n 7010 6784 6065 5861 M _w 33612 33082 27655 28657

Beispiel 2: Herstellung der Polyurethanharzlösung 2

In einem 5 1 Reaktionsgefäß mit Rührer und Rückflußküh¬ ler wird eine Mischung aus 1.492,5 Teilen des Poly- esterdiols B, 7,4 Teilen Neopentylglykol, 106,7 Teilen Dimethylolpropionsäure und 447,4 Tetramethylxyloldi- isocyanat auf eine Reaktionstemperatur von 115"C erhitzt, bis ein konstanter NCO-Wert des Gemisches erreicht ist. Anschließend gibt man auf pro Mol Di- isocyanat die 1,88-fache Menge an Molen Trimethylolpro¬ pan hinzu und läßt abreagieren, bis der Isocyanatgehalt praktisch Null ist. Das Gemisch wird mit 500 Teilen Butoxipropanol angelöst und auf einmal mit 53,2 Teilen Dimethylethanolamin bei einer Temperatur von 100°C ver¬ setzt. Abschließend wurde ein Festkörper von 60 % mit Butoxipropanol eingestellt (M _n 5426, K^.18532) .

Eine Anlösung von 10 Teilen dieses Harzes mit 3 Teilen N-Methylpyrrolidon wies eine Viskosität von 19 dPas (ICI-Platte Kegel-Viskosimeter) auf. Die Farbzahl nach Gardner beträgt 4 - 5.

Vergleichsbeispiel l: Herstellung der Polyurethanharz¬ lösung VI

In einem 5 1 Reaktionsgefäß mit Rührer und Rückflußküh- 1er wird eine Mischung aus 995 Teilen des Polyester- diols C, 4,9 Teilen Neopentylglykol, 71,2 Teilen Di- methylolpropionsäure und 298,3 Teilen Tetramethylxylol- diisocyanat auf eine Reaktionstemperatur von 115"C erhitzt, bis ein konstanter NCO-Wert des Gemisches erreicht ist. Anschließend gibt man pro Mol Diisocyanat die 1,88-fache Menge an Molen Trimethylolpropan hinzu und läßt abreagieren, bis der Isocyanatgehalt praktisch Null ist. Das Gemisch wird mit 500 Teilen Butoxipropa¬ nol angelöst und auf einmal mit 35,5 Teilen Dimethyl- ethanola in bei einer Temperatur von 100°C versetzt.

Abschließend wurde ein Festkörper von 60 % mit Butoxi¬ propanol eingestellt (M^.5589, M^ 19062).

Eine Anlösung von 10 Teilen dieses Harzes mit 3 Teilen N-Methylpyrrolidon wies eine Viskosität von 32 dPas

(ICI Platte-Kegel-Viskosimeter) auf. Die Farbzahl nach Gardner beträgt 7 - 8.

Beispiel 3: Herstellung einer Polyurethanharzdispersion

In einem 5 1 Reaktionsgefäß mit Rührer und Rückflußküh¬ ler wird eine Mischung aus 895,5 Teilen des Polyester- diols B, 4,4 Teilen Neopentylglykol, 64,0 Teilen Di- methylolpropionsäure und 268,5 Teilen Tetramethylxylol- diisocyanat auf eine Reaktionstemperatur von 115"C erhitzt, bis ein konstanter NCO-Wert des Gemisches erreicht ist. Anschließend gibt man auf pro Mol Diiso¬ cyanat die 1,88-fache Menge an Molen Trimethylolpropan hinzu und läßt abreagieren bis der Isocyanatgehalt praktisch Null ist. Nach der Zugabe von 38,2 Teilen

N,N-Dimethylethanolamin bei 110"C wird eine halbe Stunde gerührt. Danach wird bei 80"C deionisiertes Was¬ ser zugegeben und ein Festkörper von 35,8 % einge¬ stellt. Der pH-Wert der Dispersion betrug 7,4. Die Dispersion ist bei Raumtemperatur über längere Zeit stabil.

Herstellung der piqmentfreien Mischung Bl

Zu 33,2 Teilen der Polyurethanharzdispersion aus Bei¬ spiel 3 werden 43 Teile einer vorgequollenen wäßrigen Paste, enthaltend 3 Gew.-% eines anorganischen Natrium-Magnesium-Schichtsilikat-Verdickungsmittels und 3 Gew.-% Polypropylenglykol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 900, wobei die Prozente auf das Gesamtgewicht der Paste bezogen sind, 19,8 Teile ent- ionisierteε Wasser, 0,5 Teile eines handelsüblichen Entschäumers und 3,5 Teile einer 3,5%igen Lösung eines handelsüblichen Polyurethanverdickers in Wasser unter Rühren zugesetzt.

Herstellung einer blaupicrmentierten Basisfarbe AI

12 Teile Paliogenblau, 50 Teile der 60%igen, neutrali¬ sierten Polyurethanharzlösung ld, 23 Teile Butylglykol und 15 Teile iso-Butanol werden unter Rühren vermischt und mit einer Sandmühle dispergiert.

Herstellung einer Aluminium enthaltenden Basisfarbe A2

27 Teile einer gemäß DE-OS 3 636 183 chro atierten Alu- iniumbronze (Aluminiumgehalt 65 %, durchschnittlicher Teilchendurchmesser 15 μ ) werden in 6,6 Teilen Butyl-

glykol, 23,6 Teilen der 60%igen Polyurethanharzlösung ld und 13,6 Teilen iso-Butanol durch 15-minütiges Rüh¬ ren homogen verteilt und anschließend in 29,2 Teile der 60%igen, neutralisierten Polyurethanharzlösung 1 d unter Rühren einfließen lassen. Diese Mischung wird weitere 30 Minuten mit einem Schnellrührer bei 1000 U/min. gerührt.

Herstellung der Beschichtunqszusammensetzunqen I bis V

Aus der Polyurethanharzlösung ld und der Polyurethan¬ harzdispersion aus Beispiel 3 werden wäßrige Beschich- tungszusammensetzungen hergestellt, indem die Basis¬ farbe AI bzw. A2 direkt nach deren Herstellung in die Mischung Bl eingerührt wird.

Die Viskosität wird anschließend auf eine Auslaufzeit von ca. 25 sec. DIN-4-Becher (20°C) eingestellt.

Tabelle: Zusammensetzung der wäßrigen Basisbeschich- tungszusammensetzungen I bis V in Teilen

Beispiel I II 1 III IV v 1

A2 19,- 14,25 1 12,7 9,5 6,3 |

AI - 4,25 1 5,7 8,5 11,3 |

Bl 81,- 81,5 1 81,6 82,- 82,4 |

1

100,- 100,- |ιoo,- 100,- 100,- |

Direkt im Anschluß nach der Herstellung der wäßrigen Basisbeschichtungszusammensetzungen werden sie nach gut bekannten Methoden auf mit einer handelsüblichen Elek- trotauchlackierung und einem konventionellen (d.h. lösemittelhaltigen) oder wasserhaltigen Füller be¬ schichtete phosphatierte Stahlbleche (Bonder 132)

gespritzt, nach einer Ablüftzeit von 30 Minuten bei Raumtemperatur (bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % und einer Raumtemperatur von 20°C) mit einem handelsüblichen konventionellen 2-Komponenten-Klarlack auf Basis eines hydroxylgruppenhaltigen Acrylatcopoly- merisates und eines Isocyanatvernetzers überlackiert und 30 Minuten bei 60"C getrocknet. Die Trockenfilm¬ schichtdicke der Basisbeschichtungszusammensetzung beträgt Λ*15 μm, die des Klarlackes ^*50 μ .

Es werden Beschichtungen erzielt, die bezüglich des metallischen Effekts, der Haftung und der Wolkenfrei¬ heit den in DE-A-41 10 520 beschriebenen Beschichtungen entsprechen.