DE69825996T2

DE69825996T2 - Klebstoff mit einem niedrigen gehalt an flüchtigen organischen verbindungen

Info

Publication number: DE69825996T2
Application number: DE69825996T
Authority: DE
Inventors: D. Carmen CONGELIO; M. Andrew OLAH
Original assignee: Noveon IP Holdings Corp
Current assignee: Noveon IP Holdings Corp
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: EA002884B1; US5962560A; WO1998055556A1; CN1122694C; CN1259160A; EP0986619A1; ES2229501T3; EP0986619B1; US5821289A; EA200000001A1; PL339431A1; CA2291167A1; DE69825996D1; JP2002510344A; HK1028060A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Klebstoff auf der Basis eines Lösungsmittels mit einem niedrigen Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen (VOC). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Klebstoff auf der Basis eines Lösungsmittels mit niedrigem VOC-Gehalt, der befähigt ist, zwei thermoplastische Materialien miteinander zu verbinden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Klebstoff auf der Basis eines Lösungsmittels mit niedrigem VOC-Gehalt, der ein Lösungsmittel aufweist, welches bei einer im Wesentlichen reduzierten Rate verdampft, verglichen mit solchen Lösungsmitteln konventioneller Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis für thermoplastische Materialien. Zusätzlich dazu bezieht sich die Erfindung auf einen Klebstoff auf der Basis eines gering flüchtigen organischen Lösungsmittels, das einen Flammpunkt von im Wesentlichen über 100 °F hat, der durch die Testmethode bestimmt wird, die in ASTM D 3828-87 beschrieben ist. Vorzugsweise umfasst die Erfindung einen Klebstoff auf der Basis eines Lösungsmittels mit niedrigem VOC-Gehalt, der verwendet wird, um zwei Objekte oder Gegenstände aus chloriertem Polyvinylchlorid (CPVC) zu verbinden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das bevorzugte Lösungsmittel Naphthalin, das eine oder mehrere Alkylgruppen und insgesamt 11 bis 14 Kohlenstoffatome aufweist, und/oder Benzol, das 1 oder mehrere Alkylgruppen und insgesamt 10 bis 14 Kohlenstoffatome aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis werden seit vielen Jahren in ausgedehntem Maße verwendet, um ein thermoplastisches Rohr und Verbindungsstücke zu verbinden. Diese Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis stellen einen zweckmäßigen Weg dar, um thermoplastische Materialien relativ leicht und schnell zu verbinden. Häufig können ein thermoplastisches Rohr und Verbindungsstücke, die auf diese Weise verbunden wurden, sogar am selben Tag getestet werden.
Im Allgemeinen umfassen die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis eine Mischung von Lösungsmitteln sowie Harz und andere Additive wie Thixotropiermittel. Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis löst die Oberflächenschicht des thermoplastischen Materials, auf das er aufgetragen ist, und verursacht ein Quellen derselben. Das Harz in der Klebstoff-Lösung beschleunigt das Festwerden der zwei Materialien, die verbunden werden sollen, es füllt alle Hohlräume auf und reduziert die inneren Spannungen. Der Klebstoff härtet durch Verdampfung. Die primären Lösungsmittel, die in konventionellen Klebstoffen auf Lösungsmittelbasis verwendet werden, schließen Tetrahydrofuran, Methylethylketon und Cyclohexanon ein. Diese Lösungsmittel sind sehr flüchtig, und demgemäß haben daraus hergestellte Klebstoffe VOC-Gehalte im Bereich von 750–850 g/l, gemessen durch das Testverfahren 316A des South Coast Air Quality Management District (SCAQMD).
Weiterhin wird vor der Anwendung dieser herkömmlichen Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis das thermoplastische Material wünschenswerterweise mit entweder einem Primer wie Tetrahydrofuran oder einem Reiniger wie Aceton präpariert, um ein Adhäsionsversagen zu minimieren. In diesem Reinigungsverfahren werden flüchtigere organische Verbindungen in die Atmosphäre freigesetzt. Da diese konventionellen Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis größtenteils aus Lösungsmitteln hergestellt werden, breitet sich zusätzlich dazu das Lösungsmittel häufig über eine große Fläche aus und tropft während der Anwendung derselben auf die thermoplastischen Materialien, was eine zusätzliche Verflüchtigung verursacht. Darüber hinaus haben konventionelle Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis und/oder Primer, die mit solchen Klebstoffen verwendet werden, niedrige Flammpunkte. Der niedrige Flammpunkt erfordert spezielle Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung und Verpackung, um ein Brennen dieser Klebstoffe und/oder Primer zu vermeiden. Die Verdampfung von Lösungsmitteln aus Klebstoffen auf Lösungsmittelbasis ergibt ein Problem der Luftverunreinigung.
Das US Patent Nr. 3,726,826 offenbart eine stabilisierte Klebstoff-Lösung für Polyvinylchlorid. Die Lösung umfasst 5–25 Gew.-% eines nachchlorierten Polyvinylchloridharzes in Tetrahydrofuran und 0,4 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% 1,2-Butylenoxid.
Das US Patent Nr. 4,098,719 an Hushebeck beschreibt einen Primer, der beim Montieren von Polyvinylchlorid (PVC)-Rohr und -Verbindungsstücken oder PVC-Rohr und -Verbindungsstücken an Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Rohr oder -Verbindungsstücke verwendet werden soll. Der Primer besteht im Wesentlichen aus 0,5 Gew.-% bis etwa 2,5 Gew.-% eines nicht weichgemachten Polyvinylchloridharzes, das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Das Lösungsmittel ist eine Mischung aus Tetrahydrofuran und Dimethylformamid.
Ein zusätzliches Beispiel konventioneller Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis kann auch in der Europäischen Patentanmeldung 0 489 485 A1 an Texaco Chemical Company gefunden werden. Diese Anmeldung offenbart ein Verfahren zum Schweißen von Kunststoffmaterialien. Die Materialien werden durch Anwendung von Alkylencarbonat in seiner reinen Form oder als Mischung mit einem Co-Lösungsmittel, wie aromatische Kohlenwasserstoffe, Ketone, Ester, Ether, Glycolether, Imidazole, Tetramethylharnstoff, N,N'-Dimethylethylenharnstoff, 1,1,1-Trichlorethan und N-Methylpyrrolidon, geschweißt.
Weiterhin beschreibt das US Patent Nr, 4,910,244 einen lagerstabilen Klebstoff, der CPVC enthält. Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis umfasst 5–30 Gew.-% CPVC und 95–70 Gew.-% eines organischen Lösungsmittels sowie einen Stabilisator. Die Mischung stellt eine verbesserte Stabilität bereit, wenn sie in Zinn-beschichteten Stahlbehältern aufbewahrt wird.
Wie aus den kurzen Beschreibungen einer Auswahl von Literaturstellen ersichtlich ist, die konventionelle Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis beschreiben, haben diese Klebstoffe im Allgemeinen einen geringen Feststoffgehalt. Aufgrund der hohen Flüchtigkeit und niedrigen Flammpunkte der Lösungsmittel, die den Hauptteil des Klebstoffs ausmachen, sind diese Lösungsmittel wiederum extrem flüchtig und entflammbar.
Aufgrund des heutzutage vorliegenden Umweltbewusstseins sind Gesetze und Vorschriften erlassen worden, um die Größe des VOC-Gehalts in allen Materialien einzuschränken, insbesondere in Klebstoffen auf Lösungsmittelbasis. In Kalifornien z.B. hat das South Coast Air Quality Management District (SCAQMD) Verordnungen erlassen, die die VOC-Gehalte von Materialien einschränken, die zum Verkleben thermoplastischer Materialien verwendet werden. Z.B. betrugen gemäß Rule 1168 von SCAQMD die VOC-Grenzwerte für CPVC- und/oder Polyvinylchlorid (PVC)-Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis – wirksam am 1/1/94 – 450 g/l, gemessen durch SCAQMD 316 A. Die VOC-Grenzwerte für Acrylnitril-Styrol-Butadien (ABS)-Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis waren 350 g/l, vom 1. Januar 1994, die durch SCAQMD 316 A gemessen werden. Die weitere Gesetzgebung hat diese Grenzwerte sogar noch weiter herabgesetzt. Für in Zukunft vorgeschlagene Gesetzgebungen wird erwartet, dass die VOC-Grenzwerte von SCAQMD für PVC-Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis 250 g/l betragen werden, während die VOC-Grenzwerte von SCAQMD für ABS-Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis bei 350 g/l bleiben werden.
Verschiedene Klebstoffe wurden formuliert, die niedrigere VOC-Gehalte aufweisen als die konventionellen Systeme auf Lösungsmittelbasis. Es wird angenommen, dass die VOC-Gehalte konventioneller Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis vor 1994 im Allgemeinen 650 g/l, gemessen durch SCAQMD 316 A, betrugen. Z.B. offenbart die australische Patentanmeldung 86750/91 einen Klebstoff, umfassend mehr als 80 Gew.-% N-Methyl-2-pyrrolidon, mehr als 0,25 Gew.-% eines Viskositätsveränderers und mehr als 10 Gew.-% eines Polymers auf Vinylbasis. Der Viskositätsveränderer kann Siliciumdioxid, ein Verdickungsmittel oder ein Thixotropiermittel sein. Gleichermaßen offenbart das US Patent Nr. 4,675,354 eine Leimlösung, umfassend eine Lösung eines wasserunlöslichen synthetischen organischen Polymers in einem Lösungsmittel wie N-Methyl-2-pyrrolidon. Diese Leimlösung kann bei tropischen Temperaturen ohne Probleme, die sich aus Lösungsmitteldämpfen und Brandrisiken ergeben, verwendet werden.
Auch das US Patent Nr. 4,687,798 offenbart einen Lösemittelkleber, der zum Verbinden von wasserunlöslichen Polymeren verwendet wird. Der Lösemittelkleber umfasst etwa 10–15 Gew.-% eines wasserunlöslichen Polymers und ein Lösungsmittel. Das Lösungsmittel umfasst Ethylacetat und N-Methyl-2-pyrrolidon. Das Ethylacetat reicht von etwa 3 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des Lösungsmittels, wobei der Rest N-Methyl-2-pyrrolidon ist.
Zusätzlich dazu offenbart die europäische Patentanmeldung 0 547 593 A1 eine Klebstoff-Zusammensetzung mit niedrigem VOC-Gehalt. Die Zusammensetzung dieser europäischen Patentanmeldung umfasst eine Mischung von 5 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% wenigstens eines wasserunlöslichen Polymers, etwa 1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% anorganischer oder synthetischer, harzartiger, hohler Mikrokügelchen und etwa 20 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% wenigstens einer flüchtigen organischen Flüssigkeit, die ein Lösungsmittel für das wasserunlösliche Polymer ist.
Das US Patent Nr. 5,470,894 an Patel et al. stellt ein zusätzliches Beispiel eines Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt dar. Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt wird in diesem Patent verwendet, um CPVC-Rohre zu verbinden. Der Klebstoff umfasst ein Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck, das etwa 15 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Tetrahydrofuran und 0 bis etwa 30 Gew.-% Methylethylketon umfasst; ein Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck, das etwa 20 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% Cyclohexanon, 0 bis etwa 30 Gew.-% N-Methylpyrrolidon und 0 bis 10 Gew.-% dibasische Ester umfasst. Patel et al. stellen fest, dass der VOC-Gehalt ihres Klebstoffs 450 g/l oder weniger ist, wobei der Klebstoff die erforderlichen Leistungsfähigkeitsstandards wie den hydrostatischen Berstfestigkeitstest und den hydrostatischen Dauerdruck-Test erfüllt oder übersteigt.
Trotzdem besteht noch eine die Umwelt betreffende Besorgnis bei der Verwendung irgendwelcher der oben aufgeführten Klebstoffe. Es gibt jedoch Alternativen zu Klebstoffen auf Lösungsmittelbasis. Dies sind mechanische, reaktive oder thermische Systeme. Die Verwendung von mechanischen Verbindungssystemen ist im Allgemeinen sehr kostspielig. Beispiele mechanischer Verbindungssysteme schließen Acorn Fittings von Hepworth Building Products, PolyGrip Fittings von Philmac Corporation und Uncopper Fittings von Genova ein. Thermische Systeme sind unvorhersehbar, und zwar aufgrund der Schwierigkeit, der durchgängigen Herstellung zweckmäßiger Rohr-Verbindungsstück-Verbindungen. Beispiele von thermischen Systemen schließen Heißschmelzleime ein, die von Minnesota Mining and Manufactoring Company erhältlich sind. Diese thermischen Systeme lassen sich schwierig anwenden und arbeiten weniger gleichmäßig als Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis. Ein Beispiel eines reaktiven Systems schließt Epoxy ein. Epoxy ist von Noble Corporation unter dem Handelsnamen Copper Bond erhältlich. Andere Beispiele eines Epoxy schließen General Purpose Urethan, High Shear Strength Urethan und All Purpose Epoxy ein, die alle von Hardman Corporation erhältlich sind. Diese reaktiven Systeme sind jedoch problematisch, weil sie lange Härtungszeiten und eine schlechte Grünfestigkeit haben. Ihre Wirksamkeit ist auch temperaturabhängig; bei niedrigen. Temperaturen haben Epoxy-Materialien sehr lange Härtungszeiten. Weiterhin können Nebenprodukte von chemischen Reaktionen vorliegen, die für die Festigkeit des Rohrs schädlich sein können. Selbst wenn diese Alternativen existieren, sind sie kostenintensiv, zeitraubend und mühsam.
Trotz einiger der Luftqualitätsprobleme gibt es Vorteile, wenn man weiterhin die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis verwendet, um thermoplastische Materialien zu verbinden. Erstens lassen sich Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis leicht anwenden, und viele Arbeiter haben jahrelange Erfahrung bezüglich der Anwendung dieser Typen von Klebstoffsystemen. Zweitens hat man niedrige Produktionskosten bei der Herstellung der Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis sowie eine Langzeit-Haltbarkeit, sobald die Klebstoffe verwendet werden, um die zwei thermoplastischen Materialien zu verbinden.
Weiterhin können Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis vor Ort verwendet werden, um die zwei thermoplastischen Materialien ohne irgendeine zusätzliche Gerätschaft zu verbinden. Viertens härtet das Klebstoffsystem auf Lösungsmittelbasis ziemlich schnell und eignet sich somit zum Testen. Zusätzlich dazu kann eine Technik verwendet werden, um das Lösungsmittel auf alle Rohrgrößen anzuwenden. Im Allgemeinen kann das Klebstoffsystem auf Lösungsmittelbasis bei jeder Temperatur im Bereich von 0 °F bis 120 °F auf die Verbindungsstelle aufgetragen werden, wenn das Klebstoffsystem auf Lösungsmittelbasis den Underwriter's Laboratories Test 1821 besteht. Die Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis sind in Bezug auf ihre Wirksamkeit auch nicht auf eine chemische Reaktion angewiesen. Darüber hinaus kann das Klebstoffsystem auf Lösungsmittelbasis möglicherweise lange Zeit bei Umgebungstemperaturen gelagert werden. Daher sind insgesamt die Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis im Allgemeinen praktisch und wirtschaftlich.
Daher besteht zur Zeit ein Bedarf an einem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, der eine zweckmäßige Gebrauchsfähigkeitsdauer und Haltbarkeitsdauer aufweist. Weiterhin besteht ein Bedarf an einem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, der die erforderlichen Leistungsfähigkeitskriterien erfüllt, die notwendig sind, um zwei thermoplastische Materialien miteinander zu verbinden. Zusätzlich dazu besteht ein Bedarf an einem System auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, das höhere Flammpunkte als konventionelle Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis und/oder Primer für einen Klebstoff aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst einen neuen Klebstoff auf Lösungsmittel-Basis mit niedrigem VOC-Gehalt, umfassend eine Mischung von zwei oder mehreren flüchtigen organischen Lösungsmitteln und ein Harz. Gegebenenfalls kann der neue Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt ein Thixotropiermittel wie Siliciumdioxid enthalten. Vorzugsweise umfasst der neue Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt etwa 5–20 Gew.-% thermoplastisches Harz, etwa 38–75 Gew.-% substituiertes Naphthalin und/oder substituierte Benzole mit 1 oder mehreren Alkylgruppen, etwa 20–40 Gew.-% Dimethyladipat und gegebenenfalls 1,5–2% Siliciumdioxid, bezogen auf das Gewicht des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis. Am meisten bevorzugt hat dieser neue Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt einen Flammpunkt von über 100 °F, der gemäß ASTM D 3828-87 gemessen wurde.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Erfindung einen neuen Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, der einen Flammpunkt von im Wesentlichen mehr als 100 °F hat, gemessen gemäß ASTM D 3828-87. Vorzugsweise umfasst der neue Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt etwa 5–20 Gew.-% thermoplastisches Harz, etwa 38–75 Gew.-% eines alkylsubstituierten Naphthalins und/oder substituierten Benzols mit 10 bis 14 Kohlenstoffatomen und etwa 15 oder 20–45% Dimethyladipat, gegebenenfalls etwa 1,5–2% Siliciumdioxid und gegebenenfalls etwa 5–10% eines Ketons, das einen Flammpunkt von mehr als 70 °F und mehr erwünscht von über 100 °F hat. Vorzugsweise ist das Keton entweder 5-Methyl-2-hexanon (Methylisoamylketon) oder 4-Methyl-2-pentanon (Methylisobutylketon) oder Kombinationen derselben.
Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung hat einen VOC-Gehalt von weniger als 450 g/l, gemessen durch SCAQMD. Vorzugsweise hat der neue Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt einen VOC-Gehalt von weniger als 350 g/l und vorzugsweise von weniger als 250 g/l, gemessen durch SCAQMD.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung umfassen eine Mischung von zwei oder mehreren flüchtigen organischen, flüssigen Lösungsmitteln, die befähigt sind, bei Umgebungstemperaturen zu verdampfen, sowie ein thermoplastisches Harz. Weiterhin haben die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung wünschenswerterweise einen Flammpunkt von mehr als 100 °F, der durch ASTM D 3828-87 gemessen wird. Andere Bestandteile, die andere Lösungsmittel, Füllstoffe, Thixotropiermittel oder Stabilisatoren einschließen, können zu dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt gegeben werden, falls es erwünscht ist. Die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, wie sie hierin in weiteren Einzelheiten beschrieben werden, haben die folgenden Eigenschaften: eine Viskosität von 500–3000 Centipoise (cP), eine Grünfestigkeit von etwa 1–3 Minuten, weniger als 20% Feststoffe im Klebstoff, eine unbestimmte Gebrauchsfähigkeitsdauer in nicht reaktionsfähigen Behältern und eine variable Härtungszeit. Die Härtungszeit kann durch geringe Anpassungen der verwendeten Lösungsmittel-Verhältnisse für unterschiedliche Endanwendungsbedürfnisse abgeändert werden.
Das erste, zweite und gegebenenfalls weitere Lösungsmittel werden in derartigen Verhältnissen vermischt (wie später in der Beschreibung gelehrt wird), dass der geringe Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen, der durch das Testverfahren 316A des South Coast Air Quality Management District (SCAQMD) gemessen wird, unter 450 g/l, mehr erwünscht unter 400 g/l, noch mehr erwünscht unter 350 g/l oder 300 g/l und vorzugsweise unter 250 g/l liegt. In einer Ausführungsform ist der Gesamtgehalt an flüchtigen organischen Stoffen wünschenswerterweise etwa 50 g/l oder 100 g/l bis etwa 150, 200 oder 250 g/l. Da die SCAQMD beabsichtigt, ihre Grenzwerte abzuändern, um die Gew.-% an verflüchtigtem Aceton aus ihrem berichteten Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen für die Testmethode 316A auszuschließen, wird der obige Bereich des Gehalts an flüchtigen organischen Stoffen so beschrieben, als ob gegebenenfalls der Beitrag irgendwelcher flüchtigen organischen Stoffe aufgrund von Aceton in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis ausgeschlossen wird.
Der Flammpunkt eines Materials wird als eine der Eigenschaften verwendet, von der man annimmt, dass sie die Gesamt-Brennbarkeit eines Materials charakterisiert. Eine Methode, um den Flammpunkt eines Materials zu bestimmen, ist ASTM D 3828-87, auf die hierin ausdrücklich Bezug genommen wird. Flammpunkte werden in Sicherheits- und Transportvorschriften wie CFR §173.120 und §173.150 verwendet, um sowohl entflammbare als auch brennbare Materialien zu definieren. Diese Vorschriften spezifizieren die Typen von Verpackungen, die für diese Materialien notwendig sind. Wenn ein Material einen höheren Flammpunkt hat, sind seine Verpackungsvorschriften und seine Transportvorschriften möglicherweise nicht so streng wie solche, die im Allgemeinen für Lösemittelkleber und/oder Primer erforderlich sind. Klebstoffe mit einem Flammpunkt von mehr als 100 °F können gemäß den Richtlinien von U.S. Department of Transportation für die Lagerung und den Versand in weniger kostspieligen Kunststoffbehältern (z.B. aus Polyolefin) geeignet sein, während ein ähnlicher Klebstoff mit niedrigeren Flammpunkten kostspieligere Metallbehälter benötigt.
Die thermoplastischen Harze, die zur Bildung des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Folgendes ein: Polyvinylchlorid (PVC), chloriertes Polyvinylchlorid (CPVC), Poly(acrylnitril-butadien-styrol) (ABS), Polystyrol und irgendwelche anderen amorphen thermoplastischen Harze, die in der Mischung der zwei oder mehreren flüchtigen organischen Lösungsmitteln löslich sind. Im Allgemeinen ist das Harz, das in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis der vorliegenden Erfindung verwendet wird, mit dem Harz identisch, das zur Herstellung der zu verbindenden thermoplastischen Materialien verwendet wird. Vorzugsweise ist das Harz entweder CPVC, PVC oder ABS. Die Menge an thermoplastischem Harz, die zu dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt gegeben wird, reicht wünschenswerterweise von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 oder 20 Gew.-% und mehr bevorzugt von etwa 10 Gew.-% bis etwa 13,5 oder 15 Gew.-%. Beispiele möglicher ABS-Harze, die verwendet werden sollen, schließen die Cycolac ABS Harze von GE Plastics und die Lustran ABS Harze von Monsanto ein. Am meisten bevorzugt ist das in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt verwendete Harz CPVC.
Das CPVC- und/oder PVC-Harz sollte eine logarithmische Viskositätszahl im Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,96 haben. Vorzugsweise sollten die Chlorierungsgrade für die CPVC-Harze von etwa 58 Gew.-% bis etwa 72 Gew.-% reichen. Vorzugsweise sollte der Chlorierungsgrad für das PVC-Harz kleiner als 57 Gew.-% sein. Im Allgemeinen ist das verwendete CPVC-Harz ein CPVC-Harz, wie es in Klasse 23477 von ASTM D1784 definiert ist.
Die Molmasse des CPVC-Harzes sollte jedoch nicht unter 0,68 IV (logarithmische Viskositätszahl) liegen. Beispiele von geeignetem CPVC, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, schließen TempRite 674 × 571 und TempRite 677 × 670 CPVC ein, die alle von B.F. Goodrich Company erhältlich sind (TempRite ist ein eingetragenes Warenzeichen der B.F. Goodrich Company).
Zusätzlich zu dem thermoplastischen Harz schließt der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung eine Mischung von zwei oder mehreren flüchtigen organischen, flüssigen Lösungsmitteln ein, die bei Umgebungstemperaturen verdampfen können. Das erste organische Lösungsmittel, das in der Mischung verwendet wird (die ersten organischen Lösungsmittel, die in der Mischung verwendet werden), ist ein Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck. Alkylsubstituiertes Naphthalin mit einer oder mehreren Alkylgruppen und insgesamt 11 bis 14 Kohlenstoffatomen und/oder ein oder mehrere alkylsubstituierte Benzole mit 1 oder mehr Alkylgruppen und insgesamt 10 bis 14 Kohlenstoffatomen sind die am meisten bevorzugten Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck. Die bevorzugten Benzole haben 2 oder mehr, 3 oder mehr und 4 oder mehr Alkylgruppen. Das alkylsubstituierte Naphthalin und das alkylsubstituierte Benzol mit 1 oder mehr Alkylgruppen sind aus der Erdöldestillation als isolierbare Fraktionen erhältlich. Sie sind von Koch Specialty Chemical Group, Corpus Christi, Texas erhältlich, und zwar entweder unter einem chemischen Namen, z.B. Methylnaphthalin, oder als ein spezielles Sure Sol^®-Produkt (das hauptsächlich für alkylsubstituierte Benzole verwendet wird). Sie werden im Allgemeinen als Spezialchemikalien eingestuft, während Benzol, Xylol, Toluol, Cumol und Ethylbenzol im Allgemeinen als Gebrauchschemikalien eingestuft werden. Das erste organische flüssige Lösungsmittel wird im Allgemeinen in dem neuen Klebstoff in einem Bereich von etwa 38 Gew.-% bis etwa 70 oder 75 Gew.-% vorgefunden, und mehr bevorzugt von 38 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-%.
Es ist wünschenswert, ein Klebstoff-Produkt mit geringem VOC-Gehalt mit weniger oder keinem NMP zu formulieren. NMP ist hygroskopisch (absorbiert Feuchtigkeit), was in dieser Anmeldung unerwünscht ist. Neben dem Korrodieren von Metallbehältern für den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis können die Korrosionsprodukte – Eisenoxide – aus der absorbierten Feuchtigkeit das PVC oder CPVC dehalogenieren, was zu einer unerwünschten Gelierung des aufbewahrten Klebstoffs führt. Ein Gelieren ist der vermutete Grund des Versagens der Lagerungsstabilität von Klebstoffen auf NMP-Basis in der Tabelle 6.
In einer Ausführungsform umfasst wenigstens ein Anteil von etwa 38 Gew.-% bis etwa 65, 70 oder 75 Gew.-% des Lösungsmittels mit niedrigem Dampfdruck, insbesondere von wenigstens 5 Gew.-%, bezogen auf den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis, dieses eine oder diese mehreren alkylsubstituierten Naphthaline oder alkylsubstituierten Benzole mit 1 oder mehr Alkylgruppen oder Kombinationen derselben, mehr erwünscht etwa 20 Gew.-% bis etwa 65, 70 oder 75 Gew.-% des Klebstoffs und vorzugsweise etwa 38 oder 50 Gew.-% bis etwa 65, 70 oder 75 Gew.-%.
Zusätzliche andere Lösungsmittel, die von alkylsubstituiertem Naphthalin und alkylsubstituiertem Benzol verschieden sind, können in Mengen von etwa 5 Gew.-% bis etwa 47 Gew.-% vorliegen. Mehr erwünscht liegen diese anderen Lösungsmittel zu etwa 15, 20 oder 25 Gew.-% bis etwa 45 oder 47 Gew.-%, bezogen auf den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis, vor. Diese zusätzlichen Lösungsmittel können ein zweites und gegebenenfalls ein drittes oder weitere Lösungsmittel einschließen.
Das zweite organische flüssige Lösungsmittel in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis wird aus der Gruppe ausgewählt, die Folgendes umfasst: Polycarbonsäuren, die wünschenswerterweise 4 bis 15 Kohlenstoffatome aufweisen, deren Mono-, Dialkylester, die wünschenswerterweise 4 bis 19 Kohlenstoffatome aufweisen, wie Pimelinsäure, Monomethylglutamat, Monomethylpimelat, Monomethylazelat, Monomethylsebacat, Monoethyladipat, Dimethylsuccinat, Dimethylglutarat, Dimethyladipat, Dimethylpimelat, Dimethylsuberat und Dimethylazelat, oder Chloride von Polycarbonsäuren mit wünschenswerterweise 4 bis 15 Kohlenstoffatomen wie Glutarylchlorid, Adipoylchlorid und Pimeloylchlorid, und Alkylchloride dieser Polycarbonsäuren mit 4 bis 17 Kohlenstoffatomen wie Methyladipoylchlorid und Methylpimeloylchlorid usw. oder Mischungen derselben. Z.B. können Mischungen von Dimethylglutarat, Dimethyladipat und Dimethylsuccinat verwendet werden. Ein im Handel erhältliches Beispiel einer solchen Mischung ist DBE-9, das von DuPont Chemical erhältlich ist. Das am meisten bevorzugte zweite organische Lösungsmittel ist Dimethyladipat ("DMA"). DMA ist von DuPont Company unter dem Handelsnamen DBE-6 erhältlich. Man nimmt an, dass DBE-6 eine Mischung ist, die 98,7% DMA, < 0,5% Dimethylglutamat und < 0,1% Dimethylsuccinat umfasst. Es ist erwünscht, dass die Ester von Polycarbonsäuren und Alkylalkoholen und/oder Chloride von Polycarbonsäuren in Mengen von etwa 10 bis etwa 35 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Klebstoffs, vorliegen. In anderen Ausführungsformen wird das zweite organische Lösungsmittel wünschenswerterweise im Bereich von etwa 20% bis etwa 45% in dem Lösungsmittelgemisch vorgefunden. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform werden 27% des DMA in dem Klebstoff auf Lösungsmittelgemisch-Basis mit niedrigem VOC-Gehalt verwendet.
Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt kann gegebenenfalls auch andere optionale Bestandteile einschließen. Z.B. kann der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung geringe Mengen anderer optionale Lösungsmittel einschließen, die nicht den VOC-Gehalt des Klebstoffs über 450 g/l anheben und die mit der Mischung der zwei oder mehreren flüchtigen, flüssigen, organischen Lösungsmittel mischbar sind. Beispiele möglicher Lösungsmittel, die verwendet werden können, schließen cyclische oder lineare Ketone, Ester von Monocarbonsäuren und Alkylalkoholen, halogenierte Lösungsmittel, Ether und andere Flüssigkeiten wie Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO) ein.
Ketone, die in der vorliegenden Erfindung als zusätzliche Lösungsmittel verwendet werden können, schließen Aceton, Methylethylketon (MEK), Methylisoamylketon, Methylisobutylketon, Isophoron, Cyclohexanon und andere Ketone mit 3 bis 15 Kohlenstoffatomen ein. Wünschenswerterweise liegen diese Ketone in Mengen von 15 Gew.-% oder weniger, mehr erwünscht von etwa 5–10 Gew.-%, bezogen auf den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis, vor. Wünschenswerterweise haben das zusätzliche oder die zusätzlichen mehreren Lösungsmittel und insbesondere die Ketone alle einen Flammpunkt von über 70 °F oder 100 °F. Das wichtige Kriterium ist, dass alle Ketone, wenn sie als Keton-Mischung vermischt sind, wünschenswerterweise einen Flammpunkt über dem vorgegebenen Wert haben. In einer anderen Ausführungsform ist die Menge an Lösungsmitteln, z.B. Ketone mit einem Flammpunkt von weniger als 50 °F, wünschenswerterweise auf weniger als 5 Gew.-% eingeschränkt.
Beispiele von Estern von Monocarbonsäuren mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen und Alkylalkoholen mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Methylacetat, Ethylacetat (EA), Ethylformiat, Ethylpropionat und Butylacetat ein. Halogenierte Lösungsmittel, die verwendet werden können, schließen Methylenchlorid, Ethylendichlorid und Trichlorethylen ein. Ein von Ethylcellulose abgeleiteter Ether ist ein Beispiel eines möglichen Ethers mit 3 bis 15 Kohlenstoffatomen, der als zusätzliches Lösungsmittel zugegeben werden kann. Andere mögliche Flüssigkeiten, die als zusätzliche Lösungsmittel verwendet werden können, schließen Tetrahydrofuran und irgendein anderes Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck ein, mit der Maßgabe, dass die anderen Kriterien, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, der Grünfestigkeit und der erwünschten Flammpunkte, die oben aufgeführt wurden, erfüllt werden. Im Allgemeinen werden diese anderen Flüssigkeiten zugegeben, um schnellere Härtungszeiten oder eine schnellere Verflüchtigung zu erhalten.
Füllstoffe, die in der Technik bekannt sind, oder irgendwelche anderen Materialien, die als inerte Füllstoffe fungieren können, können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele von Füllstoffen, die gegebenenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Hohlkügelchen (Glas oder Keramik), Polymere, Glaskügelchen, Magnesiumsilicat, Magnesiumoxid, Füllstoff aus zermahlenen Schalen, Aluminiumoxid, Talkum, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und andere feine Pulver ein. Diese Füllstoffe werden im Allgemeinen in einer Menge von etwa 0,05–20 Gew.-% zu der Zusammensetzung gegeben. Füllstoffe können zugegeben werden, um die Kosten zu senken, die Viskosität beizubehalten oder den VOC-Gehalt geringfügig zu reduzieren. Bevorzugte Füllstoffe schließen Polymere und Calciumcarbonat ein.
Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt kann gegebenenfalls auch Thixotropiermittel in der Zusammensetzung einschließen. Beispiele möglicher Thixotropiermittel, die verwendet werden können, schließen Folgendes ein: Quarzstaub, ausgefälltes Siliciumdioxid, Bentonit-Ton, gemahlenen Quarz, Glimmer, Ethylcellulose, hydriertes Rizinusöl, organisch modifizierten Ton, andere Verdickungsmittel und Viskositätsverbesserer. Bevorzugte Thixotropiermittel schließen Quarzstaub ein. Im Allgemeinen liegt die verwendete Menge an Thixotropiermittel, falls überhaupt eines verwendet wird, im Bereich von etwa 1% bis etwa 3%, mehr erwünscht von etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis.
Weiterhin können Pigmente, Farbstoffe, Dispersionen oder Färbemittel zu dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt gegeben werden. Beispiele möglicher Pigmente, die verwendet werden können, schließen Titanoxid, Calciumcarbonat oder Ruß ein. Die verwendete Pigmentmenge liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,05% bis etwa 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis.
Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt kann andere Additive einschließen. Diese schließen irgendwelche Additive ein, die dem Fachmann bekannt sind. Geeignete Additive schließen z.B. Folgendes ein: verschiedene Stabilisatoren, Antioxidationsmittel, elektrostatisch entlastende Mittel, Rauchverzögerer, Feuchtigkeitsfänger und Säurefänger, ohne aber auf dieselben beschränkt zu sein. Da verschiedene Additive in zahllosen Variationen kombiniert werden können, kann die Gesamtmenge an Additiv von Anwendung zu Anwendung variieren. Eine Optimierung der speziellen Additiv-Zusammensetzung kann durch den Fachmann leicht bestimmt werden. Im Allgemeinen werden etwa 0,5% bis etwa 1,0 Gew.-% an Additiven zugegeben, bezogen auf das Gewicht des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt.
Die Bestandteile für den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt können in jeder zweckmäßigen Weise kombiniert werden. Z.B. können alle Bestandteile durch Mischeinrichtungen wie einen Mischer gleichmäßig zusammen vermischt werden. Vorzugsweise werden zuerst die zwei Lösungsmittel miteinander vermischt. Es ist keine spezielle Sequenz oder Reihenfolge notwendig. Das thermoplastische Harz und das Thixotropiermittel werden dann zu dem Lösungsmittelgemisch gegeben; keine spezielle Reihenfolge ist notwendig. Ein Rührmischer wie Grenier Mixer, Modell 3002, mit schnellem Rühren wird verwendet, um die Feststoffe in dem Lösungsmittel schnell zu lösen. Der Mischer wird etwa 10–15 Minuten lang auf 400–500 U/min eingestellt. Die Mischung kann dann auf einem sich langsamer bewegenden Walzenmischer angeordnet werden, um die Zusammensetzung gleichmäßig zu vermischen. Ein Beispiel eines möglichen Walzenmischers, der verwendet werden kann, ist Paul O. Abbe Ball Mill. Die Mischung wurde eine Stunde bei 160 U/min in diese Kugelmühle gegeben.
Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt kann durch irgendein Auftragsverfahren auf die zwei Gegenstände aus thermoplastischen Materialien, die verbunden werden sollen, aufgetragen werden. Obwohl es nicht notwendig ist, werden vor dem Auftragen des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der Erfindung die Oberflächen der zu verbindenden Gegenstände mit einer Bürste oder einem Tuch, das (die) Aceton oder ein anderes Lösungsmittel enthält, in der Nähe des Punktes des erwünschten Verklebens leicht abgewischt. Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt kann durch jedes in der Technik bekannte Verfahren aufgetragen werden. Vorzugsweise wird der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt durch eine Schmierbürste auf die zwei Oberflächen der Gegenstände aus den thermoplastischen Materialien aufgetragen, und zwar in der Nähe des Bereichs des erwünschten Verbindens. Eine gleichmäßige Klebstoffschicht wird auf den zwei Oberflächen angeordnet. Im Allgemeinen wird eine Schichtdicke von etwa ½ mil bis 1 mil (0,01 mm–0,025 mm) auf den beiden Oberflächen angeordnet. Dann können die Klebestellen vereinigt, härten gelassen und dann getestet werden.
Es gibt viele Anwendungen für die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt der vorliegenden Erfindung. Z.B. kann der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt verwendet werden, um ein thermoplastisches Rohr und Verbindungsstücke bei verschiedenen Anwendungen zu verkleben, wie Sanitärinstallationssystemen, Kalt- und Warmwasser-Verteilungssystemen, Sprinklersystemen, Mineralquellen, Feuer-Sprinklersystemen, Drainage-, Abfall und Belüftungsanwendungen. Der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt ist für alle anderen thermoplastischen Materialien brauchbar, die verklebt werden können. Bevorzugte thermoplastische Rohrmaterialien sind CPVC, PVC, ABS und Polystyrol. Obwohl der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis als ein Einkomponenten-Klebstoff formuliert wird, d.h. eine Primer- oder eine Lösungsmittel-Vorbehandlung nicht notwendig sind, können Primer- oder Lösungsmittel-Vorbehandlungen, z.B. eine Acetonreinigung eines ABS-Rohres, die Leistungsfähigkeit in einigen Tests verbessern. Typischerweise kann das Einschließen eines kleinen Teils an Vorbehandlungslösungsmitteln, die für jeden Rohrtyp empfohlen werden – z.B. Aceton für ABS –, in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis die Leistungsfähigkeit des Klebstoffs selbst verbessern. Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung in ausführlicherer Weise.
Beispiele
In den folgenden Vergleichsbeispielen in den Tabellen 1 bis 5 wurde ein Klebstoff auf NMP-Basis mit niedrigem VOC-Gehalt formuliert. Im Allgemeinen wurde als erster Schritt ein erwünschter VOC-Gehalt des Klebstoffs auf Lösungsmittel-Basis bestimmt. Der erwünschte VOC-Gehalt wird durch Auswahl der zwei Lösungsmittel (sowie zusätzlicher Lösungsmittel, falls dieselben verwendet werden) bestimmt. Unter Verwendung von SCAQMD 316A wurde die VOC-Konstante für jedes der Lösungsmittel, die in dem Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt verwendet werden sollen, experimentell bestimmt. Der geschätzte VOC-Gehalt für den Klebstoff auf Lösungsmittelbasis kann dann unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden: (VOC-Konstante des Lösungsmittels 1 × % Lösungsmittel 1, bezogen auf die Gesamtmenge an Lösungsmitteln in dem Klebstoff) + (VOC-Konstante des Lösungsmittels 2 × % Lösungsmittel 2 in dem Klebstoff, bezogen auf die Gesamtmenge an Lösungsmitteln) = geschätzter VOC-Gehalt des Klebstoffs, wenn zusätzliche Lösungsmittel in der Mischung verwendet werden; eine ähnliche Berechnung wird für das zusätzliche Lösungsmittel (die zusätzlichen Lösungsmittel) durchgeführt und zur Summe von Lösungsmittel 1 und Lösungsmittel 2 addiert. Sobald diese erwünschte VOC-Konstante bestimmt wurde, wurde der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt formuliert, und der VOC-Gehalt wurde unter Verwendung von SCAQMD 316 A verifiziert. Die Viskosität des Lösemittelklebers wurde durch die Zugabe von Thixotropiermitteln optimiert. Die Grünfestigkeit und die Härtungszeit wurden durch Einstellungen der Lösungsmittel-Verhältnisse variiert, während ein erwünschter VOC-Gehalt und eine erwünschte Viskosität immer noch beibehalten wurden.
Die Härtungszeit kann variiert werden, um sie auf Endanwendungs-Bedürfnisse einzustellen. In den ersten Beispielen (Tabellen 1 bis 5) wurde die Menge an NMP und Dimethyladipat (DMA) variiert. Die folgenden Beispiele wurden alle auf den VOC-Gehalt, die Härtungszeit, die Grünfestigkeit und das schnelle Bersten getestet. Der VOC-Gehalt wird unter Verwendung des Tests in SCAQMD 316 A gemessen; das schnelle Bersten wird unter Verwendung von ASTM 1599 gemessen und die Härtungszeit wird unter Verwendung von Underwriters Laboratories UL 1821 gemessen.
Die Grünfestigkeit wird durch eine Arbeitsweise getestet, in der die Testperson versucht, Rohr und Verbindungsstück, die verklebt sind, auseinander zu ziehen oder auseinander zu drehen. Bei der Durchführung dieser Arbeitsweise werden der innere Teil des thermoplastischen Verbindungsstücks und der äußere Teil des thermoplastischen Rohres (das in das Verbindungsstück hineinpasst) jeweils mit dem gleichen Klebstoff beschichtet. Nach einer Minute versucht die Testperson die zwei Stücke auseinander zu ziehen oder auseinander zu drehen. Im Allgemeinen werden das Rohr und das Verbindungsstück, die verklebt sind, einem Drehmoment von 6 foot-Ibs. während des Tests unterzogen. Wenn die zwei Stücke sich nicht trennen lassen, stellt dies ein "Ja" dar, was bedeutet, dass der Versuch wiederholt wird, bis ein "Nein" erhalten wird. Jedes Mal, wenn der Versuch wiederholt wird, wird eine zusätzliche Minute zu der vorhergehenden Zeit addiert. Die Zeitspanne, nach der ein "Nein" erreicht wird, gibt die Grünfestigkeit an. Die Formulierungen sowie die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Das Rohr, das zur Bildung der Daten in den Tabellen verwendet wird, war – falls nichts Anderweitiges vorgegeben ist – SDR-11, auch als 3/4 inch Rohr bekannt, das einen Außendurchmesser von 0,875–0,878 inch und eine Wanddicke von 0,080–0,100 inch aufweist.
Beispiele von kommerziellen Lösemittelklebern, mit denen die vorliegende Erfindung verglichen wird und die der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt werden, schließen Folgendes ein: Orange Lo V.O.C. Medium Bodied CPVC Cement (eine Stufe) und Zweistufen-Lösemittelkleber, die von Oatey erhältlich sind; sowie den Weld-On CPVC 2714^TM Orange Heavy Bodied Cement (eine Stufe) und die Zweistufen-Lösemittelkleber von IPS. Im Allgemeinen haben die kommerziellen Einstufen-Lösemittelkleber einen VOC-Gehalt von etwa 450 g/l, während die Zweistufen-Lösemittelkleber einen VOC-Gehalt von mehr als 650 g/l aufweisen.
Tabelle 1
Die Beispiele 1 bis 4 in der Tabelle 1 zeigen, dass Klebstoff-Formulierungen auf Lösungsmittelbasis mit einem DMA/NMP-Verhältnis von 0,31 bis 1,125 einen niedrigeren VOC-Gehalt haben als Standardlösemittelkleber-Formulierungen. Die Beispiele 3 und 4 wären aufgrund der hohen Viskosität für eine kommerzielle Anwendung unannehmbar, obwohl sie als Klebstoff noch effektiv sind.
Die Beispiele 5 bis 24 in der Tabelle 2 erläutern, dass die Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis, die ein DMA/NMP-Verhältnis von 0,3 bis 1,3 haben und entweder ein drittes Neben-Lösungsmittel oder eine Kombination von Lösungsmitteln aufweisen, die (das) einen geringen Anteil (≤ 10%) der Gesamtformulierung ausmacht, einen VOC-Gehalt von weniger als 400 g/l haben und genau so gut arbeiten wie bestehende kommerzielle Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis, die einen VOC-Gehalt von 450 g/l oder mehr haben.
In diesen Beispielen sind die VOC-Gehalte alle unter 300 g/l und die Bindefestigkeit übersteigt alle aufgeführten Kriterien. Die Formulierungen 15, 16, 17 und 18 wären aufgrund der hohen Viskosität kommerziell nicht anwendbar, obwohl sie als Klebstoffe noch wirksam sind.
Die Beispiele 25 bis 32 in der Tabelle 3 erläutern, dass Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt, die ein DMA/NMP-Verhältnis von 0,3 haben und ein drittes Neben-Lösungsmittel aufweisen, das weniger als ≤ 10% der Gesamtformulierung ausmacht, einen geringeren VOC-Gehalt haben, und die Formulierung genau so gut arbeitet wie bestehende kommerzielle Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis. Wenn weiterhin ein CPVC-Harz mit niedrigerer Molmasse (z.B. Temprite^TM 677 × 670 CPVC) in der Formulierung verwendet wird, kann die Viskosität verbessert werden, und der Klebstoff kann besser arbeiten als bestehende Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis.
Tabelle 4
Die Beispiele 33 bis 43 erläutern, dass Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis, die ein DMA/NMP-Verhältnis von 0,54 bis 0,97 haben und MEK (2-Butanon) als Nebenkomponente mit einem Gehalt von weniger als 10% der Gesamtformulierung aufweisen, einen geringeren VOC-Gehalt haben als kommerzielle Klebstoffsysteme auf Lösungsmittelbasis (mit einem VOC-Gehalt von 450 g/l oder mehr) und genau so gut arbeiten wie diese kommerziellen Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis.
Weiterhin erläutert das Beispiel 38, dass ein Klebstoff auf Lösungsmittelbasis, der ein DMA/NMP-Verhältnis von weniger als 0,55 hat und MEK (2-Butanon) als Nebenkomponente mit einem Gehalt von weniger als 8% der Gesamtformulierung aufweist, einen VOC-Gehalt von 201 g/l hat und genau so gut arbeitet wie konventionelle Klebstoffe auf Lösungsmittelbasis.
Im nächsten Beispiel – Vergleichsbeispiel 44 – wurden die folgenden Komponenten verwendet:
50% NMP
30% DBE-6 (DMA)
5% Butanon (MEK)
13% TempRite 674 × 571 CPVC-Harz
2% Siliciumdioxid Eigenschaften
Der VOC-Gehalt des Klebstoffsystems auf Lösungsmittelbasis wurde unter Verwendung von SCAQMD 316 A gemessen; das schnelle Bersten wurde unter Verwendung von ASTM D-1599 gemessen. Die folgenden Eigenschaften wurden erhalten:
Hydrostatischer Langzeit-Dauerdruck bei erhöhter Temperatur (150 °F, Rohrdruck: 370 psi, minimale Zeitspanne : 1000 Stunden) – ASTM D-2837
1'' Anordnung, 1158 Stunden ohne Versagen
3'' Anordnung, 1315 Stunden ohne Versagen
Viskosität (Brookfield): 2792 cP (Brookfield-Viskosimeter-Spindel 5 bei 100 U/min)
Grünfestigkeit: 2 min
Überlappungsscheren: 148 – UL 1821 Härtungszeiten:

bei 73 °F 7 min

bei 28 °F 20 min

bei 0 °F (mit Aceton-Reinigung) 45 min

Spannungsriss-Neigung
nach 20 Stunden wird eine Trübung der Platte festgestellt.
nach 202 Stunden wird ein Quellen an den Rändern der Platte festgestellt.
der Test wurde unterbrochen
Die Spannungsriss-Neigung der oben aufgeführten Proben wird auf folgende Weise gemessen. Proben einer Größe von 7 cm × 3 mm × 1,25 cm werden aus formgepressten Platten hergestellt. Diese Proben werden in eine Test-Fixiervorrichtung eingeführt, wie sie in der 1 des Artikels "Stress Cracking Of Rigid Polyvinyl Chloride by Platicizer Migration", Journal of Vinyl Technology, Dezember 1984, Band 6, Nr. 4 beschrieben ist. Die Proben werden unter Verwendung eines Arbeitstisch-Schraubstocks in die Fixiervorrichtung eingeführt. Die Probe wird an den Rand des Schraubstocks gelegt, wobei sich etwa die Hälfte ihrer Breite über die Ränder des Schraubstocks erstreckt. Der Schraubstock wird dann verwendet, um die Probe zu biegen, bis ihre Enden eng genug beisammen sind, um sie an den Rand der Test-Fixiervorrichtung gleiten zu lassen. Nachdem die Probe in der Test-Fixiervorrichtung positioniert ist, wird der Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt unter Verwendung einer medizinischen Tropfvorrichtung auf die Probe aufgebracht. Die Probe wird regelmäßig von der Chemikalie entfernt, um auf Anzeichen eines Reißens, einer Rissbildung oder einer Verfärbung zu prüfen. Das Testen wird durchgeführt, bis ein Versagen beobachtet wird.
In den folgenden Vergleichsbeispielen war das erste organische flüssige Lösungsmittel in den Beispielen NMP. Das zweite organische flüssige Lösungsmittel wurde aus der Gruppe ausgewählt, die im Wesentlichen aus Pimelinsäure, Monomethylglutamat, Monomethylpimelat, Monomethylazelat, Monomethylsebacat, Monoethyladipat, Dimethylsuccinat, Dimethylglutarat, Dimethyladipat, Dimethylpimelat, Dimethylsuberat, Dimethylazelat, Glutarylchlorid, Adipoylchlorid und Pimeloylchlorid oder Mischungen derselben besteht. Der VOC-Gehalt, die Grünfestigkeit und das schnelle Bersten wurden für jede Kombination gemessen, wie in der Tabelle 5 beschrieben ist. Tabelle 5
Die Daten in der Tabelle 5 zeigen, dass, wenn NMP in Kombination mit einem der aufgeführten zweiten organischen flüssigen Lösungsmittel verwendet wird, eine Klebstoff-Zusammensetzung mit zweckmäßigen Eigenschaften erhalten wird.
Die nachstehend aufgeführten drei Vergleichsbeispiele betreffen die Messung des Flammpunkts des Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt. Der Flammpunkt der Zusammensetzungen wurde mit dem Erdco Rapid Tester, Modell RT-1 gemäß ASTM D 3828-87 gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Zusammensetzung A

13,5% TempRite 674 × 571 CPVC Harz
1,5% Siliciumdioxid
27% DMA
58% NMP
Flammpunkt: 203 °F
VOC-Gehalt von 153 g/l, gemessen durch SCAQMD 316A

Zusammensetzung B

13,5% TempRite 674 × 571 CPVC Harz
1,5% Siliciumdioxid
27% DMA
50% NMP
8,0% 5-Methyl-2-hexanon (CAS Nr. 110-12-3), erhältlich von
Aldrich Chemical Co.
Flammpunkt: 167 °F
VOC-Gehalt von 240 g/l, gemessen durch SCAQMD 316A

Zusammensetzung C

13,5% TempRite 674 × 571 CPVC Harz
1,5% Siliciumdioxid
27% DMA
50% NMP
8,0% 5-Methyl-2-pentanon (CAS Nr. 108-10-1), erhältlich von
Aldrich Chemical Co.
Flammpunkt: 131 °F
VOC-Gehalt von 215 g/l, gemessen durch SCAQMD 316A

Im Gegensatz dazu wurden die Flammpunkte der folgenden kommerziellen Einstufen- und Zweistufen-Lösemittelkleber erhalten:

Standard Oatey Einstufen-Lösemittelkleber mit niedrigem VOC-Gehalt:
Fp.: –20 °C oder –4 °F
Standard Oatey Zweistufen-Lösemittelkleber: Fp.: –15 °C oder +5 °F
Unverdünntes Tetrahydrofuran: –17 °C oder 1 °F
Unverdünntes Cyclohexanon: 67 °C oder 154 °F
Unverdünntes MEK (2-Butanon): –3 °C oder 26 °F

Die folgenden Beispiele in der Tabelle 6 erläutern, wie substituierte Naphthaline mit 11 bis 14 Kohlenstoffatomen und/oder substituierte Benzole mit 10 bis 14 Kohlenstoffatomen anstelle von NMP im Lösemittelkleber mit niedrigem VOC-Gehalt verwendet werden können und gemäß SCAQMD 316 A niedrige VOC-Werte ergeben (z.B. ein so geringer Wert wie 73 g/l) und die physikalischen Eigenschaftstests eines Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis erfüllen. Die Beispiele mit 8 Gew.-% MEK haben weniger wünschenswerte Flammpunkte als die anderen Beispiele, in denen Ketone mit höheren Flammpunkten verwendet werden. Die Zugabe von Ketonen reduziert häufig die Zeitspanne, die für die Grünfestigkeit notwendig ist, erhöht aber den VOC-Gehalt. Der spezielle Ester einer Dicarbonsäure und von Methylalkohol (DBE-6) könnte durch andere derartige Ester ersetzt werden – wie in der Tabelle 5 aufgeführt ist -, mit NMP als primärem Lösungsmittel. Das Methylnaphthalin, das im Versuch verwendet wurde, hatte eine Reinheit von > 95 Gew.-%. Das 55–150 war ein Sure Sol^®, das 98 Gew.-% C₁₀-Isomere des Benzols darstellt, und das SS-150 ND war dem SS-150 ähnlich und wies einen verarmten Gehalt an Naphthalin auf. Sowohl SS-150 als auch SS-150 ND sind als Erdöl-Destillatfraktionen von Koch Specialty Chemical Group in Corpus Christi, Texas erhältlich.
Obwohl nicht alle der obigen Beispiele der Erfindung im Einzelnen alle Tests bestehen (z.B. Beispiele 235 und 248 bestanden nicht den vierstündigen hydrostatischen Bersttest bei 403 psi), lehren die Beispiele als Ganzes und weisen darauf hin, wie die unzulängliche Leistungsfähigkeit zu modifizieren ist, um die erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Beispiel 234 lehrt, dass MIAK anstelle von MIBK im Beispiel 235 die erwünschte Eigenschaft erreichen würde. Beispiel 247 – verglichen mit Beispiel 248 – lehrt eine ähnliche Abänderung. Andere geringfügige Änderungen im Lösungsmittelgemisch (MIAK und MIBK unterscheiden sich nur durch ein Kohlenstoffatom pro Molekül) sind vorweggenommen, um auch die mangelhafte Leistungsfähigkeit zu kompensieren, und somit kann die Gesamtleistungsfähigkeit durch Routineversuche optimiert werden.
Zusammengefasst wird ein neuer und nicht naheliegender Klebstoff auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt sowie das Verfahren zur Verwendung eines solchen Klebstoffs auf Lösungsmittelbasis mit niedrigem VOC-Gehalt für zwei thermoplastische Materialien, die miteinander verbunden werden sollen, beschrieben. Dieser Klebstoff hat wünschenswerterweise einen Flammpunkt von mehr als 100 °F, der gemäß ASTM D3828-97 gemessen wird. Obwohl spezielle Ausführungsformen und Beispiele hierin offenbart werden, sollte es klar sein, dass diese nur der Erklärung und Erläuterung dienen, und die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bestimmte Modifikationen, die dem Fachmann geläufig sind, sollen im Bereich der Erfindung liegen, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Kleber auf Lösungsmittelbasis, umfassend: a) 38 bis 75 Gew.-% eines ersten Lösungsmittels, bei dem es sich um wenigstens ein alkylsubstituiertes Naphthalin mit 1 oder mehr Alkylgruppen und 11 bis 14 Kohlenstoffatomen oder wenigstens ein alkylsubstituiertes Benzol mit 1 oder mehr Alkylgruppen und 10 bis 14 Kohlenstoffatomen oder Kombinationen davon handelt; b) 5 bis 20 Gew.-% eines thermoplastischen Harzes; und c) 5 bis 47 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Lösungsmittel, die ausgewählt sind aus einer oder mehreren (bzw. einem oder mehreren): – aliphatischen Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen; – Mono- oder Dialkylestern davon mit insgesamt bis zu 19 Kohlenstoffatomen; – Alkylchloriden der Polycarbonsäuren mit insgesamt bis zu 17 Kohlenstoffatomen; – Chloriden der Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen; und gegebenenfalls kleineren Mengen eines weiteren Lösungsmittels, das ausgewählt ist aus: – Ketonen mit 3 bis 15 Kohlenstoffatomen, Estern von Monocarbonsäuren mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen und Alkylalkoholen mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen, halogenierten Lösungsmitteln, Ethern mit 3 bis 15 Kohlenstoffatomen, Dimethylformamid (DMF) und Dimethylsulfoxid (DMSO); wobei die Flüchtigkeit der Menge des einen bzw. der mehreren zusätzlichen Lösungsmittel so gesteuert wird, dass der Gehalt des Klebers auf Lösungsmittelbasis an flüchtigen organischen Stoffen, gemessen durch das Testverfahren 316A des South Coast Air Quality Management District (SCAQMD), unter 450 g/l liegt; wobei das thermoplastische Harz (b) in dem Gemisch der zwei oder mehr organischen Lösungsmittel löslich ist; und wobei die Gewichtsprozentwerte auf dem Gewicht des Klebers auf Lösungsmittelbasis beruhen.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 1, mit der Maßgabe, dass die Gesamtmenge des zusätzlichen bzw. aller zusätzlichen Lösungsmittel, die einen durch ASTM D3828-87 gemessenen Flammpunkt von unter 37,8 °C (100 °F) haben, kleiner als 10 Gew.-% ist, wobei der durch das Testverfahren 316A gemessene Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen unter 350 g/l liegt.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 2, mit der Maßgabe, dass die Gesamtmenge des einen bzw. aller Lösungsmittel, die einen Flammpunkt von unter 10 °C (50 °F) haben, kleiner als 5 Gew.-% ist.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 1, wobei das thermoplastische Harz Polyvinylchlorid, chloriertes Polyvinylchlorid, Acrylnitril, Butadien-Styrol oder Polystyrol umfasst und wobei das erste Lösungsmittel in einer Menge von 38 bis 65 Gew.-% vorhanden ist.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 4, wobei das thermoplastische Harz in einer Menge von 5 bis 15 Gew.-% vorhanden ist.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 4, wobei der Kleber 5 bis 20 Gew.-% chloriertes Polyvinylchlorid umfasst.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine alkylsubstituierte Naphthalin und/oder alkylsubstituierte Benzol in einer Menge von 20 bis 65 Gew.-% vorhanden ist.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 7, wobei der durch das Testverfahren 316A gemessene Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen unter 350 g/l liegt.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 8, wobei das thermoplastische Harz 5 bis 20 Gew.-% chloriertes Polyvinylchlorid umfasst.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 4, wobei das eine bzw. die mehreren zusätzlichen Lösungsmittel 10 bis 35 Gew.-% einer oder mehrerer aliphatischer Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen, Mono- oder Dialkylester davon mit insgesamt 4 bis 19 Kohlenstoffatomen, Alkylchloriden der Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 17 Kohlenstoffatomen, Chloriden der Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen oder Kombinationen davon umfassen.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 10, wobei das eine bzw. die mehreren zusätzlichen Lösungsmittel 25 bis 35 Gew.-% des einen bzw. der mehreren Mono- oder Dialkylester von Polycarbonsäuren und/oder Chloride der Polycarbonsäuren oder Kombinationen davon umfassen.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das zusätzliche Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pimelinsäure, Monomethylglutarat, Monomethylpimelat, Monomethyl azelat, Monomethylsebacat, Monomethyladipat, Dimethylsuccinat, Dimethylglutarat, Dimethyladipat, Dimethylpimelat, Dimethylsuberat, Dimethylazelat, Glutarylchlorid, Adipoylchlorid, Pimeloylchlorid und Gemische davon umfasst.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 1, wobei das Keton in einer Menge von bis zu 15 Gew.-% enthalten ist, bezogen auf das Gewicht des Klebers auf Lösungsmittelbasis.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 13, wobei das eine bzw. die mehreren Ketone im Wesentlichen aus Ketonen mit einem durch ASTM D3828-87 gemessenen Flammpunkt von über 21,1 °C (70 °F) bestehen.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 13, wobei das eine bzw. die mehreren Ketone aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus 5-Methyl-2-hexanon und 4-Methyl-2-pentanon oder Kombinationen davon besteht.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 13, wobei der Kleber 10 bis 13,5 Gew.-% chloriertes Polyvinylchlorid umfasst.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 16, wobei das wenigstens eine alkylsubstituierte Naphthalin und/oder alkylsubstituierte Benzol in einer Menge von 38 bis 65 Gew.-% vorhanden ist.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 10, wobei der durch das Testverfahren 316A gemessene Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen unter 350 g/l liegt.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 10, wobei der durch das Testverfahren 316A gemessene Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen unter 250 g/l liegt.
Kleber auf Lösungsmittelbasis, umfassend: a) 38 bis 70 Gew.-% wenigstens eines alkylsubstituierten Naphthalins mit 11 bis 14 Kohlenstoffatomen und/oder alkylsubstituierten Benzols mit wenigstens 1 Alkylgruppe und 10 bis 14 Kohlenstoffatomen; b) 5 bis 20 Gew.-% eines chlorierten Polyvinylchlorids; c) 10 bis 35 Gew.-% eines oder mehrerer der folgenden: – aliphatische Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen; – Mono- oder Dialkylester davon mit insgesamt bis zu 19 Kohlenstoffatomen; – Alkylchloride der Polycarbonsäuren mit insgesamt bis zu 17 Kohlenstoffatomen; – Chloride der Polycarbonsäuren mit insgesamt 4 bis 15 Kohlenstoffatomen; und gegebenenfalls 15 Gew.-% oder weniger eines oder mehrerer Ketone mit 3 bis 15 Kohlenstoffatomen; wobei der Kleber einen durch das Testverfahren 316A gemessenen Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen von weniger als 450 g/l hat.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 20, der einen durch das Testverfahren 316A gemessenen Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen von unter 350 g/l hat.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 21, der einen durch das Testverfahren 316A gemessenen Gehalt an flüchtigen organischen Stoffen von unter 250 g/l hat.
Kleber auf Lösungsmittelbasis gemäß Anspruch 20, wobei das eine bzw. die mehreren Ketone 5 bis 10 Gew.-% Ketone mit einem durch ASTM D3828-87 gemessenen Flammpunkt von über 21,1 °C (70 °F) umfassen.