[0001] Die Erfindung betrifft Harze zum Entwickeln von Leucopigmenten, insbesondere zum
Farbentwickeln in druckempfindlichen Aufzeichnungsmaterialien.
[0002] Druckempfindliche Aufzeichnungsmaterialien wie z.B. Durchschreibepapiere sind beschichtete
Folien, mit denen man Durchschläge ohne Verwendung einer Farbeinlage wie z.B. eines
Kohlepapiers anfertigen kann.
[0003] Die Aufzeichnung erfolgt dabei durch Entwickeln eines Farbbildes aus einer in einem
hochsiedenden, organischen Lösungsmittel gelösten, farblosen organischen Verbindung,
die zur Bildung einer Farbe fähig ist.
[0004] Diese organische Verbindung wird als Leucopigment bezeichnet. Die gebräuchlichsten
Leucopigmente sind Kristallviolettlacton oder Malachitgrünlacton. Daneben aber werden
auch andere derartige Verbindungen eingesetzt wie z.B. Leukauramine, Acylauramine,
basische, ungesättigte Arylketone, basische Monoazo-Verbindungen, Rhodamin-B-Lactame,
Michlers Hydrol, Carbinole des Kristallvioletts und Machalitgrüns oder Pyrane.
[0005] Die Farbentwicklung erfolgt durch Reaktion dieser Leuco
pig- mente mit einer sauer wirkenden Entwicklersubstanz bei inni
gem Kontakt dieser Reaktanten. Der Kontakt erfolgt normalerweise durch den Schreibdruck
auf entsprechend beschichtete Folien, aber auch zum Beispiel beim Thermokopieren durch
örtlich begrenzte Wärmeeinwirkung und dadurch hervorgerufene Reaktion des Leucopigments.
[0006] Als Entwicklersubstanzen kennt man saure, anorganische Salze, wie z.B. saure Tonerden
oder Salze aus starken organischen Säuren und schwachen Basen, freie organische Säuren
oder Phenolderivate. Diese Substanzen haben neben einer meist vorhandenen Tendenz
zur Feuchtigkeitsaufnahme, die zu einem unklaren Schriftbild führt, den Nachteil,
daß sie mit Hilfe eines Bindemittels auf der Folie fixiert werden müssen. Wesentlich
vorteilhafter ist dagegen die direkte Verwendung von sauer wirkenden Polymerisaten
als Farbentwickler. Als derartige Entwicklerharze werden bevorzugt phenolhaltige Polymere
wie Phenol-Aldehyd-Kondensationsharze und,Phenolpolymerisationsharze eingesetzt.
[0007] Phenol-Aldehyd-Kondensationsharze haben die Nachteile, daß einerseits die damit beschichteten
Papiere leicht vergilben und daß beim Recycling toxicologische Bedenken bestehen,
weil die Gefahr der Formaldehydabspaltung vorhanden ist.
[0008] Als Phenolpolymerisationsharze sind für diesen Verwendungszweck das durch Copolymerisation
von Phenolen mit Acetylen unter Druck und bei höherer Temperatur, d.h. unter nicht
problemlosen Bedingungen hergestellte, teure Alkylphenolacetylenharz und di-und oligomere
Alkenylphenole bekannt.
[0009] So werden in DE-OS 26 47 696 und DE-OS 27 03 574 dimere substituierte Alkenylphenole
und in EP-A-0029323 Vinylphenololigomere als Farbentwickler für Leucopigmente offenbart.
Neben dem Nachteil, daß diese Produkte ebenfalls recht teuer sind, besteht bei ihnen
die Schwierigkeit, daß sie einen relativ hohen Erweichungspunkt haben, der zudem nicht
im gewünschten Bereich verändert werden kann.
[0010] Aus EP-A-0029323 ist zwar bekannt, den Erweichungspunkt von Oligovinylphenol durch
Variation des Polymerisationsgrades zu verändern, jedoch hat bereits das unsubstituierte
Dimere des Vinylphenols einen Erweichungspunkt von 95°C, während höher polymerisiertes
Vinylphenol oder auch die Dimere der substituierten Vinylphenole einen höheren Erweichungspunkt
haben. Für durckempfindliche Aufzeichnungsmaterialien aber sollte der Erweichungspunkt
im Bereich von 55 bis 110°C, bevorzugt aber im Bereich von 70 - 90°C liegen, um ein
optimales Lösungsverhalten im Lösungsmittel des Leucopigments und damit eine gute
Farbentwicklung zu haben.
[0011] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein möglichst preiswertes Harz zum Entwickeln
von Leucopigmenten, insbesondere zum Farbentwickeln in druckempfindlichen Aufzeichnungsmaterialien,
auf der Basis eines phenolhaltigen Polymers bereitzustellen, das einfach herzustellen
und zu handhaben ist, das keine Vergilbung des Aufzeichnungsmaterials bewirkt, keine
toxikologischen Bedenken beim Gebrauch oder Recyclen erwarten läßt und dessen Erweichungspunkt
im Bereich von 55 - 110°C (nach K.-S.) bevorzugt jedoch im Bereich von 70 - 90°C liegt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Harze und Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß der
Ansprüche 1-6.
[0012] Phenolmodifizierte Kohlenwasserstoffharze sind in der Klebstoff- und Lackindustrie
häufig gebrauchte Polymere, die durch Polymerisation von ungesättigten aromatischen
Kohlenwasserstoffen und Phenol oder substituierten Phenolen unter Verwendung von Friedel-Crafts-Katalysatoren
hergestellt werden.
[0013] Sie sind als Entwicklerharze für Leucopigmente weniger geeignet, denn ihr Gehalt
an phenolischen Hydroxylgruppen, der mit der Größe OH-Zahl angegeben wird, ist für
eine gute Farbentwicklung zu gering. Versucht man, diese OH-Zahl zu erhöhen, indem
man den Anteil von Phenol erhöht, so wird ab einer OH-Zahl von etwa 3,5 das überschüssige
Phenol nicht mehr gebunden. Die Harze werden instabil, was sich durch einen auftretenden
Geruch nach freiem Phenol unangenehm bemerkbar macht.
[0014] Es wurde jedoch gefunden, daß sich gemäß älterer Anmeldungen (Aktenzeichen der deutschen
Anmeldungen P 31 28 869.3 und P 32 42 782.4 )hergestellte, stabilisierte phenolmodifizierte
Kohlenwasserstoffharze mit hoher OH-Zahl sehr gut als Entwicklerharze eignen.
[0015] Diese stabilisierten phenolmodifizierten Kohlenwasserstoffharze werden hergestellt
durch Polymerisation von ungesättigten aromatischen Kohlenwasserstoffen, gegebenenfalls
Isobuten, und Phenol oder substituierten Phenolen unter Verwendung von Friedel-Crafts-Katalysatoren,
wobei eine Tei lmenge der ungesättigten aromatischen Kohlenwasserstoffe und/oder die
gesamte Menge an Phenolen und an Katalysator vorgelegt werden und die Polymerisation
durch Zugabe der restlichen ungesättigten aromatischen Kohlenwasserstoffe so gesteuert
wird, daß sie nach Erreichen der gewählten Polymerisationstemperatur, die im Bereich
von 70 bis 140°C liegt, isotherm geführt wird.
[0016] Das Verhältnis Phenol oder Phenolgemisch zu ungesättigten aromatischen Verbindungen
muß so abgestimmt sein, daß sich stöchiometrisch Additionsprodukte mit einer entsprechenden
OH-Zahl bilden können. Für die erfindungsgemäße Verwendung dieser stabilisierten phenolmodifizierten
Kohlenwasserstoffharze ist eine OH-Zahl von 4,5 bereits für eine Farbentwicklung ausreichend,
jedoch wird die Farbentwicklung im allgemeinen umso besser, je höher die OH-Zahl ist.
[0017] Als Rohstoffe für die erfindungsgemäßen Harze dienen phenolische Verbindungen, polymerisierbare
ungesättigte, aromatische Kohlenwasserstoffe und ggf. Isobuten. Als phenolische Verbindungen
können sowohl einkernige als auch mehrkernige Phenole, wie das Phenol selbst, dessen
alkyl-substituierte Homologe wie Kresole oder Xylenole sowie Naphthole eingesetzt
werden, außerdem halogensubstituierte Phenole wie das Chlor- oder Bromphenol und mehrwertige
Phenole wie Resorcin oder Brenzkatechin.
[0018] Bevorzugt werden technische Phenolfraktionen.verwendet, die bei der Destillation
von Rohphenol anfallen: Diese enthalten Phenol, Kresole, Xylenole sowie gegebenenfalls
geringe Anteile höher alkylierter Phenole. Die Zusammensetzung dieser Fraktionen variiert
je nach dem ausgewählten Siedebereich.
[0019] Ungesättigte, aromatische Kohlenwasserstoffe finden sich einerseits in den im Temperaturbereich
von 140 bis etwa 220°C siedenden Destillates aus dem Steinkohlenhochtemperaturteer,
andererseits entstehen ungesättigte, aromatische Kohlenwasserstoffe bei der Crackung
von Naphtha oder Gasöl sowie bei der Pyrolyse von Crackrückständen und sind in einer
im Bereich von 160
0 - 220°C siedenden Fraktion, der sogenannten Harzölfraktion, angereichert. Diese Fraktionen
enthalten ungesättigte aromatische Verbindungen, im wesentlichen Inden, Vinyltoluol,
Methylinden, Cumaron, Dicyclopentadien, Methyldicyclopentadien, Styrol und α-Methylstyrol,
in einer Konzentration von 50 bis 70 % neben nicht reaktiven aromatischen Verbindungen.
[0020] Die Mengenverhältnisse von Phenolen oder Phenolgemischen zu ungesättigten, aromatischen
Verbindungen liegen zwischen 20 : 80 bis 50 : 50 Gew.-%.
[0021] Werden diese aromatischen Kohlenwasserstoffe noch mit Isobuten gemeinsam polymerisiert,
was mitunter zur Verbesserung der Verträglichkeit mit unpolaren Lösungsmitteln angebracht
ist, so liegen die Mengenverhältnisse der Reaktionspartner in folgenden Bereichen:
20 - 40 Gew.-% phenolische Verbindungen
78 - 30 Gew.-% aromatische, ungesättigte Kohlenwasserstoffe und .2 - 30 Gew.-% Isobuten
[0022] Die eingesetzten Mengen an phenolischen-Verbindungen gewährleisten, daß die resultierenden
Harze eine OH-Zahl von mindestens 4,5 haben. Dabei ist es möglich, durch Einsatz mehrwertiger
Phenole die OH-Zahl bis über 9 zu steigern.
[0023] Die Polymerisation dieser ungesättigten Verbindungen erfolgt im allgemeinen mit Hilfe
von Säuren oder Friedel-Crafts-Katalysatoren wie z.B. Trichloressigsäure, Bortrifluorid-Komplexen,
Aluminium-, Antimon Y oder Zinn-IV-chlorid.
[0024] Zur Durchführung der Polymerisation werden Katalysator und Phenol oder Phenolgemisch
vorgelegt. Die Phenolkomponente soll . dabei gelöst sein. Es wurde gefunden, daß es
zweckmäßig ist, als Lösungsmittel einen Teil der Kohlenwasserstoffraktion zu verwenden
und somit mit einem Minimum an Lösungsmittel zu arbeiten. Bei Einsatz einer derartigen
Lösung startet die Polymerisationsreaktion sofort und muß gegebenenfalls durch Kühlen
innerhalb.der Temperaturgrenzen gehalten werden. Nach Ablauf dieses ersten Polymerisationsschrittes
wird die restliche Harzölfraktion so zugegeben, daß die Polymerisation bei gleichbleibender
Temperatur weiterverläuft.
[0025] Enthält das ursprüngliche Reaktionsgemisch noch keine ungesättigten, aromatischen
Kohlenwasserstoffe, so werden diese so zudosiert, daß zuerst ein Anstieg der Temperatur
des Reaktionsgemisches auf die gewünschte Polymerisationstemperatur erfolgt und daß
die Temperatur im weiteren Polymerisationsverlauf konstant gehalten wird.
[0026] Diese Polymerisationstemperaturen liegen im Bereich von 30 bis 70°C, wobei bei niedrigeren
Temperaturen einerseits höhere Erweichungspunkte erzielt werden, andererseits aber
auch die Polymerisationsdauer verlängert wird.
[0027] Bei der Copolymerisation mit Isobuten liegt die Reaktionstemperatur bei einem Wert
im Bereich von 20 -140°C. Sie ist bedingt durch den Siedepunkt des Isobutens und den
während der Reaktion herrschenden Druck.
[0028] Zur Durchführung der Polymerisation werden Katalysator und Phenol oder Phenolgemisch
bevorzugt als Lösung in aromatischen Lösungsmitteln vorgelegt und die ungesättigten,
aromatischen Kohlenwasserstoffe und das Isobuten im festgelegten Verhältnis nach und
nach zudosiert. Dies kann dadurch erfolgen, daß die ungesättigten, aromatischen Kohlenwasserstoffe
und Isobuten gekühlt gemischt werden und-auf einer Temperatur unterhalb des Siedebeginns
des Gemisches gehalten werden und daß dieses Gemisch den phenolischen Verbindungen
portionsweise unter Kühlung zudosiert wird. Dann kann die Reaktion unter Normaldruck
durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, zum Gemisch aus den phenolischen Verbindungen
und dem Katalysator die aromatischen, ungesättigten Kohlenwasserstoffe und das Isobuten
ungekühlt im vorgegebenen Verhältnis getrennt zuzugeben. Das gasförmige Isobuten wird
dabei unter einem Druck von bis zu 6 bar in das Reaktionsgefäß eingepreßt und die
Reaktion unter einem Druck von bis zu 4 bar durchgeführt. Die Neutralisatiön des Katalysators
und die weitere Aufarbeitung des Harzes erfolgen nach an sich bekannten Verfahren.
[0029] Bei optimaler Polymerisation, die durch eine niedrige Polymerisationstemperatur und
durch eine ein- bis zweistündige Nach- .reaktion bei dieser Temperatur gegeben ist,
lassen sich mit einwertigen Phenolen stabile, phenolmodifizierte Kohlenwasserstoffharze
mit OH-Zahl en von mehr als 4,5 und Erweichungspunkten bis zu 65°C herstellen.
[0030] Werden als phenolische Verbindungen ganz oder teilweise mehrwertige Phenole wie Brenzcatechin
oder Resorcin eingesetzt, so ergeben sich stabile Harze mit OH-Zahlen bis etwa 10.
Es wurde gefunden, daß diese Harze Erweichungspunkte von 65 bis 80°C haben.
[0031] Die Erweichungspunkte sind für ein Entwicklerharz für druckempfindliche Aufzeichnungsmaterialien
insofern auf einen relativ engen Temperaturbereich begrenzt, als die Erfahrung gezeigt
hat, daß Produkte mit einem Erweichungspunkt von mehr als 110°C im allgemeinen keine
Farbentwicklung mehr bewirken. Offensichtlich werden derartige Harze von dem Lösungsmittel
des Leucopigments nicht für eine farbgebende Reaktion ausreichend angelöst. Daraus
folgt, daß für diese Reaktion ein Harz mit einem möglichst niedrigen Erweichungspunkt
erwünscht wäre. Andererseits darf das Harz bei Raumtemperatur nicht kleben und es
muß, was vor allem bei Papier als Trägermaterial wichtig ist, als Schicht auf dem
Trägermaterial bleiben und darf nicht in dieses einziehen. Der Erweichungspunkt sollte
aus diesen Erwägungen möglichst hoch sein. Als Resultat dieser einengenden Parameter
ergibt sich für die Erweichungspunkte der Harze ein noch tolerierbarer Bereich von
55 bis 110
0C und ein für Durchschreibepapiere bevorzugter Bereich von 70 bis 90°C.
[0032] Der Einsatz mehrwertiger Phenole bei der Herstellung der erfindungsgemäßen phenolmodifizierten
Kohlenwasserstoffe erlaubt es demnach, die Erweichungspunkte der Harze in den für
Durchschreibepapiere optimalen Temperaturbereich einzustellen und gleichzeitig die
Entwicklereigenschaften zumindest zu verbessern.
[0033] Eine andere Möglichkeit, den Erweichungspunkt der phenolmodifizierten Kohlenwasserstoffharze
zu erhöhen, ja ihn im genannten Bereich nahezu beliebig einzustellen, bietet die Copolymerisation
mit Vinylphenol oder einem im Kern oder der Alkenkette halogen-, alkyl- oder aralkylsubstituierten
Vinylphenol.
[0034] überraschenderweise wurde gefunden, daß Vinylphenole mit ungesättigten, aromatischen
Verbindungen und phenolischen Verbindungen copolymerisieren. Aufgrund der außerordentlichen
Reaktivität der Vinylphenole war zu erwarten, daß die relativ reaktionsträgen ungesättigten,
aromatischen Verbindungen und die überhaupt nicht polymerisierenden, sondern nur durch
eine Alkylierungsreaktion beteiligten Phenole nicht mitreagieren. Es erfolgt jedoch
eine echte Copolymerisation, die ein einheitliches Harz liefert.
[0035] Die Mengen an Vinylphenol liegen je nach gewünschtem Erweichungspunkt zwischen 10
und 30 % der zu polymerisierenden Komponenten, wobei man etwa 10 bis 70 % der Phenole
durch Vinylphenol ersetzt. Es wäre zwar auch möglich, die gesamten phenolischen Verbindungen
durch Vinylphenole zu ersetzen, jedoch ist dies aus wirtschaftlichen Gründen nicht
erwünscht und ergibt zudem Harze mit einem zu hohen . Erweichungspunkt.
[0036] Die Polymerisationsreaktion erfolgt ebenfalls durch isotherme Polymerisation in der
Weise, daß Vinylphenol die phenolischen Verbindungen, die ungesättigten, aromatischen
Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls Isobuten miteinander gemischt und mit einem
Friedel-Crafts-Katalysator versetzt werden. Die Polymerisationsreaktion wird gegebenenfalls
unter äußerer Kühlung nach Erreichen der gewählten Polymerisationstemperatur,die im
Bereich von 30 - 90°C liegt, isotherm geführt.
[0037] Nach Beendigung der Reaktion kann zur Vervollständigung der Polymerisationsreaktion
nach 15 - 30 min. nachgeheizt werden.
[0038] Danach wird der Katalysator durch Auswaschen oder Fällen und Filtrieren entfernt
und das Harz durch Destillation bei Normaldruck oder im Vacuum und nachfolgende Wasserdampfdestillation,
von nicht polymerisierten Bestandteilen befreit.
[0039] Die erhaltenen Harze sind nahezu farblose nicht vergilbende, geruchfreie Produkte
mit Erweichungspunkten, die je nach Zusammensetzung im Bereich von 70 - 110°C ligen.
Sie ergeben bei Reaktion mit einem Leucopigment bereits ab OH-Zahlen von nur 4,5 eine
Farbentwicklung, die für ein druckempfindliches Druchschreibepapier sehr gut ist.
[0040] Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert. Prozentangaben
sind dabei Gewichtsprozente. Die Erweichungspunkte (E.P.) sind nach der Methode Krämer-Sarnow
bestimmt. Die OH-Zahl ist durch Acetylierung mit anschließender Verseifung unter Bestimmung
der hierzu benötigten Menge einer KOH-Lösung bekannten Faktors ermittelt.
Beispiel 1
[0041] Durch isotherme Polymerisation bei 35°C eines Ansatzes aus 150 g Phenol fraktion
mit einem Gehalt an 48 % Phenol und 16 % Kresolen und 36 % Xylnolen 50 g Toluol 5,4
g BF
3-Methylätherat 350 g Harzölfraktion mit einem Siedebereich von 160 - 220°C (Indengehalt
63 %) wird ein helles, nicht vergilbends nahezu geruchloses Harz mit einem EP von
55 C und einer OH-Zahl von 6,4 erhalten (Ausbeute 73 % der polymerisierbaren Anteile).
[0042] Schreibprüfung 10 g Harz werden in 100 ml Toluol (Äthylacetat) gelost.
[0043] Mit dieser Lösung wird eine Seite eines Bogens handelsüblichen Schreibmaschinenpapiers
befeuchtet und anschließend das Lösungsmittel verdampft. Das so vorbereitete Papier
entspricht der Kopierseite eines druckempfindlichen Durchschreibepapiersystems. Es
wird auf ein Deckblatt eines handelsüblichen Durchschreibepapersystems, das mit einem
oder mehreren Leucopigmenten und einem hochsiedenden,festen,organischen Lösungsmittel
mikroverkapselt beschichtet ist, so aufgelegt, daß die beiden beschichteten Seiten
aufeinanderliegen. Das so hergestellte Durchschreibesystem wird mit einer normalen
Schreibmaschine in gebräuchlicher Weise beschrieben.
[0044] Nach 10 sec. wird die Schriftentwicklung auf dem Durchschlag - blatt beurteilt. Die
Beurteilung erfolgt gemäß folgenden Kategorien:

[0045] Die mit dem hergestellten Entwicklerharz erzielte Schriftentwicklung ist gut.
Beispiel 2
[0046] Durch isotherme Polymerisation bei 25°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nahezu geruchloses Harz mit einem EP vom 60°C und einer OH-Zahl von
5,9 erhalten. Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt sich eine gute Schriftentwicklung.
'Beispiel 3
[0047] Durch isotherme Polymerisation bei 40°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes, nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 60°C
und einer OH-Zahl von 5,8 erhalten. Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt
sich eine ausreichende Schriftentwicklung.
Beispiel 4
[0048] Durch isotherme Polymerisation bei 40°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 57°C
und einer OH-Zahl von 5,8 erhalten. Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt
sich eine ausreichende Schriftentwicklung.
Beispiel 5
[0049] Durch isotherme Polymerisation bei 60°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes, nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 67
0C und einer OH-Zahl von 9,3 erhalten. (Ausbeute 35 % der polymerisierbaren Anteile).
Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt sich eine sehr gute Schriftentwicklung.
Beispiel 6
[0050] Durch isotherme Polymerisation bei 60°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes, nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 72°C
und einer OH-Zahl von 7,1 erhalten (Ausbeute 79 % der polymerisierbaren Anteile).
Bei der Schriftprüfung analog Bei-- spiel 1 ergibt sich eine gute Schriftentwicklung.
Beispiel 7
[0051] Durch isotherme Polymerisation bei 60°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes, nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 80°C
und einer OH-Zahl von 4,9 erhalten. Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt
sich eine sehr gute Schriftentwicklung.
Beispiel 8
[0052] Durch isotherme Polymerisation bei 80°C eines Ansatzes aus

wird ein helles, nicht vergilbendes, nahezu geruchloses Harz mit einem EP von 70°C
und einer OH-Zahl von 4,5 erhalten. Bei der Schriftprüfung analog Beispiel 1 ergibt
sich eine sehr gute Schriftentwicklung.
Vergleichsbeispiel
[0053] Ein durch Polymerisation von p-Vinylphenol hergestelltes Polyvinylphenolharz mit
einem EP von 185°C und einer OH-Zahl von 14 zeigt bei einer Schriftprüfung analog
Beispiel 1 keine Entwicklereigenschaften.