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Die
vorliegende Erfindung betrifft neue Azofarbstoffe, Verfahren zu
deren Herstellung und deren Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung
gefärbter
Kunststoffe oder polymerer Farbpartikel in der Masse sowie als Farbmittel
zur Herstellung von Farbfiltern.
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Farbstoffe
zum Massefärben
von Kunststoffen sind bekannt. Im US-Patent 5,367,039 werden beispielsweise
1,4,5,8-tetrasubstituierte Anthrachinone mit (Meth)acryloylgruppen
beschrieben, die mit Vinyl-Monomeren copolymerisiert werden können und
so zur Herstellung gefärbter
Vinyl-Polymere geeignet sind.
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Die
bislang verwendeten Farbstoffe genügen jedoch den höchsten Ansprüchen in
Bezug auf die Lichtechtheit und vor allem auf Thermostabilität nicht.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach neuen thermostabilen Farbstoffen,
welche licht- und insbesondere heisslichtechte Färbungen mit hoher Farbstärke ergeben
und gute allgemeine Echtheiten zeigen.
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Im
US-Patent 3,998,802 werden Azofarbstoffe aus 2,6-Diaminopyridinderivaten
offenbart, die sich zum Färben
von synthetischen Polyamiden und Polyestern nach dem Ausziehverfahren
eignen und sich durch gute Thermofixier- und Lichtechtheiten auszeichnen.
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Es
wurde nun überraschenderweise
gefunden, dass spezifische Azofarbstoffe aus 2,6-Diaminopyridinderivaten
zur Färbung
von synthetischen Polymeren in der Masse geeignet sind, licht- und
insbesondere heisslichtechte Färbungen
mit hoher Farbstärke
ergeben und gute allgemeine Echtheiten zeigen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Azofarbstoff der Formel I, II
oder III
worin
R
1 und R
2 unabhängig voneinander
eine oder mehrere zweiwertige Gruppen ausgewählt aus Alkylen, Arylen, Aralkylen
und Cycloalkylen bedeuten, die durch -O-, -S-, -NH-, -NR
9-,-COO-, -CONH- oder -CONR
10- unterbrochen
sein können,
worin R
9 und R
10für Alkyl
oder Aryl stehen,
X -O- oder -NH- ist,
R
3 -CN
oder -CONH
2- darstellt,
R
4 für Methyl
oder Trifluormethyl steht und
R
5, R
6, R
7 und R
8 unabhängig
voneinander Wasserstoff, Halogen oder -CN bedeuten.
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Die
Substituenten R1 und R2 können gleich
oder verschieden sein, vorzugsweise sind R1 und
R2 gleich.
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Wenn
irgendein Rest Alkyl bedeutet, so kann es sich um geradlinige oder
verzweigte Alkylreste mit vorzugsweise 1 bis 12 C-Atomen handeln,
die durch eine oder mehrere Hydroxygruppen, Aminogruppen oder Halogenatome
substituiert sein können.
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Beispiele
für Alkylgruppen
sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl,
n-Pentyl, iso-Pentyl, neo-Pentyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, iso-Octyl,
n-Decyl und n-Dodecyl.
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Substituierte
Alkylgruppen sind beispielsweise 2-Hydroxyethyl, 2-Hydroxypropyl,
4-Hydroxybutyl, 2-Aminoethyl,
2-Aminopropyl, 4-Aminobutyl, 2-Chlorethyl, 2-Bromethyl und 4-Chlorbutyl.
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Arylgruppen
als R9 oder R10 haben
vorzugsweise 5 bis 24, insbesondere 6 bis 14, C-Atome und können z.B.
durch C1-C4-Alkyl,
C1-C4-Alkoxy, Halogen
oder den Rest -NH-CO-R, worin R Amino, C1-C4-Alkyl oder unsubstituiertes oder durch
C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy oder
Halogen substituiertes Phenyl ist, substituiert sein.
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Beispiele
für geeignete
Arylgruppen sind Phenyl, Tolyl, Mesityl, Isityl, 2-Hydroxyphenyl,
4-Hydroxyphenyl, 2-Chlorphenyl, 4-Chlorphenyl, 2-Aminophenyl, 3-Aminophenyl,
4-Aminophenyl, 4-Methoxyphenyl, 4-Ethoxyphenyl, 4-Acetylaminophenyl,
Naphthyl und Phenanthryl.
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Bedeutet
einer der zweiwertigen Reste R1 oder R2 Alkylen, so handelt es sich vorzugsweise
um C1-C6-Alkylengruppen,
wie beispielsweise Ethylen, Propylen, Trimethylen, Tetramethylen
oder Hexamethylen.
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Durch
-O- oder -NH- unterbrochene Alkylengruppen können Poly(oxyethylen), Poly(oxypropylen),
Poly(aminoethylen) und Poly(oxypropylen) sein, wie zum Beispiel
-(OCH2CH2)n-, -(OCHCH3CH2)n-, -(NHCH2CH2)n-,
-(NHCHCH3CH2)n-, worin n für eine Zahl von 1 bis 10 steht.
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Beispiele
für Arylengruppen
sind 1,2-, 1,3- und 1,4-Phenylen, Toluol-2,4-diyl, Toluol-2,5-diyl,
Toluol-2,6-diyl, Naphthalin-1,4-diyl, Naphthalin-1,5-diyl und Naphthalin-1,8-diyl.
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Aralkylengruppen
sind beispielsweise Gruppen der folgenden Formeln:
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Beispiele
für Cycloalkylen
sind 1,2-Cyclopentylen, 1,3-Cyclopentylen, 1,2-Cyclohexylen, 1,3-Cyclohexylen
und 1,4-Cyclohexylen.
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Halogen
bedeutet Fluor, Chlor, Brom oder Iod.
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Bevorzugt
sind Azofarbstoffe der Formel I, II oder III, worin R3 für -CN steht
und R4 Methyl ist.
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Weiterhin
bevorzugt sind Azofarbstoffe der Formel I, II oder III, worin R1 und R2 für C2-C8-Alkylen, C6-C14-Arylen oder
C8-C22-Aralkylen
stehen.
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Besonders
bevorzugt sind Azofarbstoffe der Formel I. II oder III, worin R
1 und R
2 je eine
Gruppe der Formel IV bedeuten
wobei XH an die Alkylengruppe
gebunden ist, und X für
-O- steht.
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R5, R6, R7 und
R8 sind vorzugsweise Wasserstoff, Chlor
oder Brom und besonders bevorzugt Wasserstoff.
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Ein
besonders bevorzugter Azofarbstoff der Formel I ist die Verbindungen
der Formel Ia
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Die
Verbindungen der Formel I, II oder III können nach bekannten Methoden,
beispielsweise durch Diazotierung von Diaminoanthrachinon bzw. Aminoanthrachinon
und anschließende
Kupplungsreaktion, hergestellt werden.
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Einen
weiteren Erfindungsgegenstand bildet ein Verfahren zur Herstellung
eines Azofarbstoffs der Formel I, II oder III, dadurch gekennzeichnet,
dass man eine Anthrachinonverbindung der Formel V, VI oder VII
worin R
5,
R
6, R
7 und R
8 die oben angegebene Bedeutung haben, nach
einem üblichen
Verfahren diazotiert und anschließend an eine Kupplungskomponente
der Formel VIII
worin R
1,
R
2, R
3, R
4 und X die oben angegebene Bedeutung haben,
kuppelt.
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Die
Diazotierung der Diaminoanthrachinonverbindung oder Aminoanthrachinonverbindung
erfolgt in an sich bekannter Weise, z.B. mit Nitrosylschwefelsäure in saurem,
z.B. salzsaurem oder schwefelsaurem, wässrigem Medium. Die Diazotierung
kann aber auch mit anderen Diazotierungsmitteln, z.B. mit Natriumnitrit ausgeführt werden.
Bei der Diazotierung kann eine zusätzliche Säure im Reaktionsmedium anwesend
sein, z.B. Phosphorsäure,
Schwefelsäure,
Essigsäure,
Propionsäure,
Salzsäure
oder Mischungen dieser Säuren, z.B.
Mischungen aus Propionsäure
und Essigsäure.
Zweckmäßig wird
die Diazotierung bei Temperaturen von –10 bis +30°C, z.B. von 0°C bis Raumtemperatur,
durchgeführt.
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Die
Kupplung des diazotierten Anthrachinonderivats auf die Kupplungskomponente
der Formel VIII erfolgt ebenfalls in bekannter Weise, beispielsweise
in saurem, wässrigem
oder wässrig-organischem
Medium, vorteilhaft bei Temperaturen von –10 bis 30°C, insbesondere unter 10°C. Als Säuren verwendet
man z.B. Salzsäure,
Essigsäure,
Propionsäure,
Schwefelsäure
oder Phosphorsäure.
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Die
Kupplungskomponenten der Formel VIII sind bekannt oder können auf
an sich bekannte Art und Weise hergestellt werden, z.B. indem man
ein 2,6-Dichlorpyridinderivat der Formel IX
worin R
3 und
R
4 die oben angegebene Bedeutung haben,
mit
einem Amin der Formel X und einem Amin der Formel XI
HX-R
1-NH
2 (X),
HX-R
2-NH
2 (XI),
worin
R
1 und R
2 die oben
angegebene Bedeutung haben,
nacheinander oder gleichzeitig
umsetzt.
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Die
Verbindungen der Formel IX und die Amine der Formeln X und XI sind
bekannt und können
auf an sich bekannte Art und Weise hergestellt werden.
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Einen
weiteren Erfindungsgegenstand stellt ein Verfahren zur Herstellung
gefärbter
Kunststoffe oder polymerer Farbpartikel dar, welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass man ein hochmolekulares organisches Material mit einer
färberisch
wirksamen Menge mindestens eines Azofarbstoffes der Formel I, II
oder III mischt.
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Die
Einfärbung
der hochmolekularen, organischen Substanzen mit einem Azofarbstoff
der Formel I, II oder III kann beispielsweise derart erfolgen, dass
man einen solchen Farbstoff diesen Substraten unter Verwendung von
Walzwerken, Misch- oder Mahlapparaten zumischt, wodurch der Farbstoff
im hochmolekularen Material gelöst
oder fein verteilt wird. Das hochmolekulare organische Material
mit dem beigemischten Farbstoff wird hierauf nach an sich bekannten
Verfahren verarbeitet, wie beispielsweise Kalandrieren, Pressen, Strangpressen,
Streichen, Spinnen, Giessen oder durch Spritzguss, wodurch das eingefärbte Material
seine endgültige
Form bekommt. Das Beimischen des Farbstoffes kann auch unmittelbar
vor dem eigentlichen Verarbeitungsschritt durchgeführt werden,
indem beispielsweise ein fester, beispielsweise pulverförmiger Farbstoff
und ein granuliertes oder pulvriges hochmolekulares organisches
Material, sowie gegebenenfalls auch Zusatzstoffe wie beispielsweise
Additive, gleichzeitig direkt der Einlasszone einer Strangpresse
kontinuierlich zudosiert werden, wo das Einmischen noch knapp vor
der Verarbeitung stattfindet. Im allgemeinen ist jedoch ein vorgängiges Einmischen
des Farbstoffes ins hochmolekulare organische Material bevorzugt,
da gleichmässiger
gefärbte
Substrate erhalten werden können.
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Oft
ist es erwünscht,
zur Herstellung von nicht starren Formlingen oder zur Verringerung
ihrer Sprödigkeit
in die hochmolekularen Verbindungen vor der Verformung sogenannte
Weichmacher einzuarbeiten. Als solche können zum Beispiel Ester der
Phosphorsäure,
Phthalsäure
oder Sebacinsäure
dienen. Die Weichmacher können
im erfindungsgemäßen Verfahren
vor oder nach der Einarbeitung des Farbmittels in die Polymeren
eingearbeitet werden. Es ist ferner möglich, zwecks Erzielung verschiedener
Farbtöne
den hochmolekularen organischen Stoffen neben dem Azofarbstoff der
Formel I, II oder III auch weitere Pigmente oder andere Farbmittel
in beliebigen Mengen zuzufügen,
gegebenenfalls zusammen mit weiteren Zusatzstoffen wie z.B. Füllmitteln
oder Siccativen.
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Bevorzugt
ist die Einfärbung
von thermoplastischen Kunststoffen insbesondere in Form von Fasern. Bevorzugte,
erfindungsgemäß einfärbbare hochmolekulare
organische Materialien sind ganz allgemein Polymere mit einer Dielektrizitätskonstante ≥ 2,5, insbesondere
Polyester, Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat
(PMMA), Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, Styrol/Acrylnitril
(SAN) oder Acrylnitril/Butadien/Styrol (ABS). Besonders bevorzugt
sind Polyester und Polyamid. Ganz besonders bevorzugt sind lineare
aromatische Polyester, welche durch Polykondensation von Terephthalsäure und
Glykolen, insbesondere Ethylenglykol oder Kondensationsprodukten
aus Terephthalsäure
und 1,4-Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexan erhalten werden können, wie
beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBTP);
ferner Polycarbonate, z.B. solche aus α,α-Dimethyl-4,4-dihydroxy-diphenylmethan
und Phosgen, oder Polymere auf Polyvinylchlorid- sowie Polyamid-Basis,
wie z.B. Polyamid 6 oder Polyamid 6.6.
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Da
die erfindungsgemäßen Verbindungen
der Formeln I, II und III mindestens 4 aktive H-Atome aufweisen (zwei NH- und zwei XH-Gruppen),
ist es möglich,
den Farbstoff bereits mit den Monomeren zu mischen und als Comonomer
direkt in das Polymergerüst
einzubauen. Voraussetzung dafür
ist, dass die Monomeren reaktive Gruppen aufweisen, die mit den
aktiven Wasserstoffatomen der NH- bzw. OH-Gruppen reagieren. Beispiele
für solche
Monomere sind Epoxide (Epoxidharze), Isocyanate (Polyurethane) und
Carbonsäurechloride (Polyamide,
Polyester).
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Ein
weiterer Erfindungsgegenstand ist daher ein Verfahren zur Herstellung
gefärbter
Kunststoffe oder polymerer Farbpartikel, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mischung enthaltend mindestens ein zu Polymerisations-,
Polyadditions- oder Polykondensationsreaktionen befähigtes Monomeres
mit mindestens einer NH- oder OH-reaktiven
Gruppe und mindestens eine Verbindung der Formel I, II oder III
zur Reaktion gebracht wird.
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Die
Verwendung der Verbindungen der Formel I, II oder III zur Herstellung
gefärbter
Kunststoffe oder polymerer Farbpartikel in der Masse sowie die unter
Verwendung der Verbindungen der Formel I, II oder III gefärbten Kunststoffe
oder polymeren Farbpartikel sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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Die
erfindungsgemäßen Farbstoffe
verleihen den oben genannten Materialien, vor allem den Polyestermaterialien,
farbstarke, egale Farbtöne
mit guten Gebrauchsechtheiten, insbesondere mit einer sehr guten Heisslichtechtheit.
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Die
erfindungsgemäßen Farbstoffe
können
auch gut verwendet werden zur Herstellung von Mischnuancen zusammen
mit anderen Farbstoffen.
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Die
erfindungsgemäßen Azofarbstoffe
der Formel I, II und III eignen sich ferner als Farbmittel für die Herstellung
von Farbfiltern, insbesondere für
sichtbares Licht im Bereich von 400 bis 700 nm, für Flüssigkristallbildschirme
(Liquid Crystal Display, LCD) oder Charge Combined Device (CCD).
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Die
Herstellung von Farbfiltern durch sequentielles Aufbringen eines
roten, blauen und grünen
Farbmittels auf ein geeignetes Substrat, wie z.B. amorphes Silizium,
ist in der GB-A 2,182,165 beschrieben. Die Farbfilter lassen sich
beispielsweise unter Verwendung von Tinten, insbesondere Drucktinten,
die die erfindungsgemäßen Azofarbstoffe
enthalten, beschichten, oder beispielsweise durch Vermischung der
erfindungsgemäßen Azofarbstoffe
mit chemisch, thermisch oder photolytisch strukturierbarem hochmolekularem
Material herstellen. Die weitere Herstellung kann man beispielsweise
analog zu EP-A 654 711 durch Aufbringen auf ein Substrat, wie ein
LCD, anschließende
Photostrukturierung und Entwickeln durchführen. Weitere Dokumente, welche
die Herstellung von Farbfiltern beschreiben, sind die US-A 5,624,467,
Displays 14/2, 115 (1993) und WO 98/45756.
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Die
mit den erfindungsgemäßen Azofarbstoffen
hergestellten Farbfilter für
Flüssigkristallanzeigen (LCD)
zeichen sich durch eine hohe Transmission der Farbpunkte aus.
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Die
Verwendung eines erfindungsgemäßen Azofarbstoffes
als Farbmittel zur Herstellung von Farbfiltern stellt einen weiteren
Erfindungsgegenstand dar.
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Die
nachfolgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung.
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I.
Herstellungsbeispiele I.1
Verbindung der Formel Ia
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A. Synthese 2,6-Bis-[4-(2-hydroxyethyl)phenylamino]-3-cyan-4-methylpyridin
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In
einem Planschliffkolben werden 495,0 g 2-(4-Aminophenyl)-ethanol
vorgelegt und auf auf 140°C
erhitzt. In die Schmelze werden bei 120–140°C zunächst 255,8 g Natriumcarbonat
und anschließend
190,8 g 2,6-Dichlor-3-cyan-4-methylpyridin eingetragen. Das Reaktionsgemisch
wird 18 h bei 190–195°C gerührt, dann
portionsweise auf 1 l 2N-Salzsäure
gegeben und über
Nacht stehengelassen. Der Niederschlag wird abfiltriert, gewaschen
und im Vakuumtrockenschrank getrocknet.
Ausbeute: 380,8 g (98%)
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B. Diazotierung mit 2,6-Diaminoanthrachinon
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14,4
g 2,6-Diaminoanthrachinon werden innerhalb von 10 min in 75 ml konzentrierte
Schwefelsäure eingetragen,
so dass die Temperatur des Gemisches 40°C nicht überschreitet. Nach 30 min Rühren bei
RT werden 21,6 ml 40%-Nitrosylschwefelsäure so langsam zugetropft,
dass die Temperatur 22–25°C beträgt (ca. 20
min). Anschließend
wird das Gemisch 4 h bei RT gerührt,
wobei eine braune Lösung
des Diazoniumsalzes erhalten wird.
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In
einem 6I-Becherglas ausgerüstet
mit pH-Meter werden 1,5 l Eisessig vorgelegt; unter Rühren werden
48 g 2,6-Bis-[4-(2-hydroxyethyl)phenylamino]-3-cyan-4-methylpyridin
eingetragen. Nach Zugabe von 750 ml Eiswasser wird die Lösung des
Diazoniumsalzes in ca. 10 min zugetropft. Durch Zugabe von 240 ml 30%-Natronlauge
wird der pH-Wert auf 0,25 eingestellt, wobei die Temperatur des
Reaktionsgemisches 35°C nicht übersteigen
soll.
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Anschließend wird
die Lösung
4 h bei 45–50°C und über Nacht
bei RT gerührt.
Der Niederschlag wird abfiltriert, mit 80%-Essigsäure, Wasser,
Dimethylformamid (DMF) und noch einmal mit Wasser gewaschen und im
Vakuumtrockenschrank bei 60–70°C getrocknet.
Ausbeute: 57,2 g (92%)
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II. Applikationsbeispiele
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II.1. Herstellung eines
Farbfilters für
Flüssigkristallanzeigen
(LCD)
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In
einem 100 ml Glasgefäß mit 83,3
g Zirkonkeramikkugeln, 2,8 g des Azofarbstoffes gemäß Beispiel I.1,
0,28 g Solsperse® 5000, 4,10 g Disperbyk® 161
(Dispergator, 30%-ige Lösung
eines hochmolekularen Block-Copolymeren mit pigmentaffinen Gruppen
in n-Butylacetat/1-Methoxy-2-propylacetat 1:6, BYK Chemie) und 14,62
g 1-Methoxy-2-propylacetat (MPA) werden mit einem Dispermat während 10
Minuten bei 1000 U/min und während
180 Minuten bei 3000 U/min bei 23°C
gerührt.
Nach der Zugabe von 4,01 g eines Acrylatpolymer-Bindemittels (35%
Lösung
in MPA) wird bei Raumtemperatur während 30 Minuten bei 3000 U/min
gerührt.
Nach dem Abtrennen der Kugeln wird die Dispersion mit dem gleichen
Gewicht MPA verdünnt.
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Auf
einer Lackschleuderapparatur wird ein Glassubstrat (Corning Type
1737-F) mit dieser Dispersion beschichtet und während 30 s bei 1000 U/min abgeschleudert.
Die Trocknung der Schicht wird während
2 Minuten bei 100°C
und während
5 Minuten bei 200°C
auf einer Heizplatte durchgeführt.
Die erreichte Schichtstärke
beträgt
0,4 μm.
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Analog
zu Beispiel I.1 können
die folgenden Azofarbstoffe (Tabellen 1–15) hergestellt werden, welche ebenfalls
zum Massefärben
von Kunststoffen geeignet sind: Tabelle
1
Tabelle
2:
Tabelle
3:
Tabelle
4:
Tabelle
5:
Tabelle
6:
Tabelle
7:
Tabelle
8:
Tabelle
9:
Tabelle
10:
Tabelle
11:
Tabelle
12:
Tabelle
13:
Tabelle
14:
Tabelle
15: