JP2001505597A - 熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物 - Google Patents

熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、初期成分として、(a)1分子当たり1.6〜2個の末端水酸基を有し数平均分子量が500〜20,000の範囲内であるポリジエンジオール1〜80重量%と、(b)1分子当たり2個のイソシアネート基を有するイソシアネートと連鎖延長剤としてのダイマージオールを含む、ハードセグメントを形成する配合物20〜99重量%と、を含む熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物と、熱可塑性ポリウレタン組成物の製造法と、それにより得られる熱可塑性ポリウレタン組成物と、を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物 本発明は、熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物と、熱可塑性ポリウレ タン組成物の調製法に関する。 ポリイソシアネートと高分子ジオールとの反応に基づいた注型および熱可塑性 ポリウレタン組成物は、エラストマー、接着剤、シーラント、エラストマー系表 面塗料、金属用およびプラスチック用塗料、に使用されるものとして周知である 。 詳細は後述するが、本発明のポリウレタンは、ポリジエンジオール、イソシア ネート、および比較的低分子量の連鎖延長ジオールを主成分としている。この組 成物において、ポリジエンは、ポリウレタンの柔らかいゴム状の部分となる。ジ イソシアネートと連鎖延長ジオールは、互いが反応して重合体の硬いセグメント を形成する。イソシアネートとアルコールの反応性のため、ポリジエンは、その 末端をハードセグメントと化学的に結合する。こうして、セグメント化ブロック 共重合体が形成される。 強度やその他の物性は、セグメント化ブロック共重合体ポリ ウレタンの分子構造に起因する。高分子量に重合した形態では、ソフトセグメン トおよびハードセグメントは、極めて相溶性が低く、別々の領域に分離する。こ のような配置では、ソフトセグメントはゴム状重合体として作用し、ソフトセグ メントは、ハードセグメントの分離や、ガラス化つまり結晶化によって物理的に 架橋する。最終高分子量形態において存在するハードセグメントとソフトセグメ ントの間の非相溶性は重要である。この非相溶性がなければ、堅い材料となり、 低温特性が劣り使用温度の上限が低いため有用な用途が限定される。 高分子量ポリウレタンは、ハードセグメントおよびソフトセグメントの間に非 相溶性があることが重要であるが、この強い非相溶性は未反応成分にまで及んで はならない。化学反応全体および高重合体形成のためには、反応物質同士の緊密 な接触が必要となる。もし反応物質が非相溶性であれば、低分子量のポリウレタ ンのみが実現可能となり、この様なポリウレタンは低強度となり、一般的な有用 性をもたない。 従って、最も有益なセグメント化ブロック共重合体ポリウレタンは、反応性成 分は相溶性を示すが、反応して分子量が増大するとゴム状のソフトセグメントと 堅い強化性ハードセグメン トに分離するものである。この相溶性のバランスこそ、この多成分重合体の設計 に必要なものであり、これによって優れた物性が生み出される。 従来のポリウレタンは、ポリエステルおよびポリエーテルのソフトセグメント を使用している。これらのポリオールと適当な相溶性のバランスがとれた低分子 量連鎖延長剤は周知である。本発明では、極めて異なる相溶性特性を有する飽和 ポリジエンジオールを利用する。この飽和ポリジエンジオールの有用性は、その 優れた熱、UVおよび加水分解に対する安定性と、またその優れた低温における 機械的性質と関係がある。後述する新規組成物は、特殊なタイプの低分子量連鎖 延長剤を含むものであり、この連鎖延長剤は適当な相溶性のバランスを示し、さ らに高強度および高硬度のポリウレタンを生成する。 ポリジエンジオールおよびある種のジオールの連鎖延長剤より製造されるポリ ウレタン組成物は、1997年1月9日公開のWO 9700901号に記載さ れている。その明細書に記載されている組成物は、低分子量ジオールの連鎖延長 剤を含んだものである。このような連鎖延長剤の目的は、ポリウレタン組成物中 のハードセグメント量(イソシアネート量+連鎖延長 剤量)を増加させることである。高硬度および高引張特性が要求されるこれらの ポリウレタン組成物には、数多くの用途がある。その一例はスキー靴であり、柔 らかくしなやかであってはならないことは明らかである。WO 9700901 号に記載されている連鎖延長剤は、極性のものおよび無極性のものの両方とも、 ポリジエンジオールおよびイソシアネートに対して相溶性があまり高くない。そ のような連鎖延長剤を使用して相溶性の組成物を製造するためには、ハードセグ メント量、すなわちイソシアネートと連鎖延長剤の量を比較的少なく保たなけれ ばならない。このため、ポリジエンを主成分とするポリウレタンは、硬度と強度 が制限される。WO 9700901号の実施例に記載される組成物は、ハード セグメントの割合が、13.8重量%〜35.4重量%の範囲である。この制限 があっても、2−エチル−1,3−ヘキサンジオールおよび1,4−ブタンジオ ールなどの極性連鎖延長剤を十分に相溶性をもたせるために、特殊な溶媒処理が さらに要求される。この処理は、溶媒の大部分の除去および回収が必要となるた め不利である。溶媒法を使用せずに、これらの組成物等の強度および硬度の増加 したものを製造できれば好都合である。 現在では、有益な硬度および強度特性を有する熱可塑性ポリウレタン組成物の 提供が可能であることが分かった。 本発明によれば、熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物が提供され、 該組成物は、その初期成分として、 (a)1分子当たり1.6〜2個の末端水酸基を有し数平均分子量が500〜2 0,000の範囲内であるポリジエンジオール1〜80重量%と、 (b)1分子当たり2個のイソシアネート基を有するイソシアネートと連鎖延長 剤としてのダイマージオールを含む、ハードセグメントを形成する配合物20〜 99重量%と、を含む。 好ましくはポリエンジオールは1分子当たり、1.8〜2個、より好ましくは 1.9〜2個の末端水酸基を有する。好ましいポリエンジオールの数平均分子量 (Mn)は、1,000〜10,000の範囲内である。好ましいイソシアネー ト(NCO)の全OHに対するモル比は、0.9〜1.1の範囲内である。好ま しいポリエンジオールは、水素化ポリイソプレンジオールであり、より好ましく は水素化ポリブタジエンジオールである。 本発明において使用されるポリジエンジオールは、例えば、米国特許第5,3 76,745号、第5,391,663号、 第5,393,843号、第5,405,911号、第5,416,168号に 記載されるように、アニオン重合によって適宜調製し得る。ポリジエンジオール は、1分子当たりの水酸基数が、1.6〜2、より好ましくは1.8〜2、最も 好ましくは1.9〜2であり、数平均分子量が、500〜20,000、より好 ましくは1000〜10,000の範囲内である。水素化ポリブタジエンジオー ルが好ましく、粘度をできるだけ低くするために1,4−付加が30%〜70% であることが好ましい。 重合は、各リチウム部位にリビングポリマー骨格を形成するモノリチウムまた はジリチウム開始剤を用いて開始する。共役ジエンは、一般的には1,3−ブタ ジエンやイソプレンである。アニオン重合は、有機溶媒中の溶液として行なわれ 、通常はヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼンのような炭化水素が使用されるが 、テトラヒドロフランのような極性溶媒も使用することができる。共役ジエンが 1,3−ブタジエンであって、得られた重合体を水素化する場合において、シク ロヘキサンなどの炭化水素中のブタジエンのアニオン重合では、通常はジエチル エーテルやグリム(1,2−ジエトキシエタン)などの構造調整 剤を用いて調節を行なうことで、所望量の1,4−付加が得られる。水素化ポリ ブタジエン重合体における低粘度と高溶解性の最適のバランスは、1,4−ブタ ジエン含量が40〜60%の範囲にあるときに得られる。このブタジエン微細構 造は、50℃で約6体積%のジエチルエーテルまたは約1000ppmのグリム を含むシクロヘキサン中における重合の間に得られる。 アニオン重合は、官能基付与剤を終了前に添加することで終了させる。その様 な官能基付与剤としては、例えば米国特許第5,391,637号、第5,39 3,843号および第5,418,296号に記載のものが挙げられるが、好ま しくはエチレンオキシドが使用される。 好ましいジリチウム開始剤は、2モルのsec−ブチルリチウムと1モルのジ イソプロペニルベンゼンとを反応させることで生成される。このジ開始剤は、9 0重量%のシクロヘキサンと10重量%のジエチルエーテルからなる溶媒中のブ タジエンの重合において使用される。モノマーに対するジリチウム開始剤のモル 比が、重合体の分子量を決定する。次いでリビングポリマーを、2モルのエチレ ンオキシドでキャップして、2モルのメタノールで停止すると、所望のポリジエ ンジオールが生成 する。 またポリジエンジオールは、シリルエーテルとしてブロックされた水酸基を含 むモノリチウム開始剤を使用して合成することもできる(例えば、米国特許第5 ,376,745号および5,416,168号に記載されている)。適当な開 始剤は、水酸基をトリメチルシリルエーテルとしてブロックしたヒドロキシプロ ピルリチウムである。このモノリチウム開始剤は、ブタジエンを炭化水素または 極性溶媒中で重合させるときに使用することができる。開始剤とモノマーのモル 比が、重合体の分子量を決定する。次に、リビングポリマーを、1モルのエチレ ンオキシドでキャップして、1モルのメタノールで停止すると、モノヒドロキシ ポリジエン重合体が生成する。次にシリルエーテルを、水の存在下で酸触媒切断 により除去し、所望のジヒドロキシポリジエンジオールが生成する。 ポリブタジエンジオールを水素化して、ジオールの炭素炭素二重結合の少なく とも90%、好ましくは少なくとも95%を飽和させる。これらの重合体および 共重合体の水素化は、種々の十分に確立された方法により行うことができ、ラネ ーニッケル、プラチナなどの貴金属等、可溶性遷移金属触媒、米国特許 第5,039,755号に記載のようなチタン触媒などの触媒の存在下における 水素化法が含まれる。特に好ましい触媒として、2−エチルヘキサン酸ニッケル とトリエチルアルミニウムの混合物が挙げられる。 ポリブタジエン重合体は、約40%以上の1,2−ブタジエン付加を持つこと が望ましいが、これは1,2−ブタジエン付加の含有量が約40%未満であれば 、水素化後に重合体が室温で蝋状固体となるからである。ジオールの粘度をでき るだけ低下させるためには、1,2−ブタジエン含量を約40〜60%の間にす るべきである。Tgおよび粘度を低下させるために、イソプレン重合体は80% 以上の1,4−イソプレン付加を有する。ジエンの微細構造は、一般的にはクロ ロホルム中の13C核磁気共鳴(NMR)により測定される。 通常ポリジエンジオールの水酸基当量は、約250〜約10,000、好まし くは500〜5,000である。従って、ジヒドロキシポリジエン重合体の場合 、適当なピーク分子量は500〜20,000、好ましくは1,000〜10, 000である。 本明細書におけるピーク分子量とは、既知のピーク分子量を有するポリブタジ エン標準物質を用いて較正したゲル浸透クロ マトグラフィー(GPC)によって測定されるピーク分子量のことである。これ らのピーク分子量は、数平均分子量と非常に密接に対応している。GPC分析に 使用する溶媒はテトラヒドロフランである。 本発明において使用されるイソシアネートは1分子当り二つのイソシアネート 基の官能性を有するジイソシアネートであり、真のジオールと結合した場合には 熱可塑性ポリウレタンを生成する。適当なジイソシアネートの例として、4,4 ’−ジフェニルメタンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート異 性体の混合物、トルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキ サメチレンジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、パラフェニルジイソ シアネートが含まれる。 好ましくは、イソシアネートは、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネー ト、トルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレン ジイソシアネート、エチレンジイソシアネート及びパラフェニルジイソシアネー トからなる群より選択される。 本発明による組成物は、連鎖延長剤としてダイマージオール を含む。ダイマージオールは、米国特許第5,101,009号に記載されてお り、その中では「ダイマージオール」という用語は以下の式(1)のジオール化 合物として定義されている。前記ジオール化合物は、15〜21個の炭素原子を 有する不飽和脂肪酸を二量体化した後に得られた二量体溶液を還元して製造され 、二量体溶液の少なくとも50重量%の量の主要成分として存在する。 [式中、R1からR4は、それぞれ不飽和線状有機基であって全炭素原子数が22 〜34の間であり、特にR1とR2は、同一でも異なっていてもよく、それぞれが アルキル基を表し、R3とR4は、同一でも異なっていてもよく、それぞれアルキ レン基を表す。] 一般式(1)で定義される範囲内のダイマージオールの代表例は、R1、R2、 R3、R4の合計炭素数が28であるもの、すなわち36個の炭素原子を含むダイ マージオールである。 好ましくは、ダイマージオールは36個の炭素原子を含む。 非常に適したこのようなダイマー酸は、不飽和C18脂肪酸分子の中ほどで二量体 化して生成されるダイマー酸から誘導されるものであり、米国のヘンケル社(H enkel Corp.)より市販されている。 ダイマージオール連鎖延長剤は、本発明のポリジエンポリウレタン組成物のポ リジエンおよびポリウレタン成分と適当な相溶性をもつため、本発明の重要な特 徴となる。またこの相溶性のため、イソシアネートと組み合わせることで90% またはそれ以上のハードセグメントを形成する量のダイマージオールを、ポリウ レタン組成物に混入することかでき、以下に詳細に説明する通常使用の低分子量 極性ジオール連鎖延長剤に対して必要とされる特殊な溶媒処理法を必要としない 。比較的大きな(例えばC36)脂肪族主鎖により担持されるため、末端水酸基の 分子極性に対する総合的な寄与が低いので、ダイマージオールはより相溶性であ ると理論付けられる。 最終的に得られるポリウレタンの強度、硬度及び剛性を決定するものであるか ら、ポリウレタン組成物中のハードセグメントのパーセンテージは重要である。 ジイソシアネートおよび連鎖延長剤の割合が多くなるほど、ハードセグメントが 増加する。 一般的に、これらのハードセグメント成分は極性があり、他の脂肪族成分との相 溶性はごくわずかである。ダイマージオールを使用すれば、この連鎖延長剤は極 性が低いために飽和ポリジエンポリオールと相溶性があるので、高硬度および高 強度で極性を有する飽和ポリウレタンを製造することができる。 ダイマージオールの利点は、ポリウレタン組成物のハードセグメント含量が3 0%以上であればより効果的に現れ始める。ダイマージオールは、このような濃 度では、本明細書で述べた他の連鎖延長剤よりも、はるかにポリジエンジオール との相溶性か高くなる。さらにダイマージオールは、組成物のハードセグメント 含量を90%以上まで増加させることができる。 ダイマージオール連鎖延長剤は、単独で使用することができ、また、他の従来 使用された連鎖延長剤は基本的にこれらポリウレタン組成物と非相溶性であり、 他の成分と十分に反応させるためには特殊な処理が必要であるが、ダイマージオ ールが相溶性を増加させることが分かっているので、他の連鎖延長剤と組み合わ せて使用することもできる。このような非相溶性極性連鎖延長剤の例として、炭 素側鎖をもたない直鎖連鎖延長剤が含まれ、1,4−ブタンジオール、1,3− プロパンジオール、 エチレンジアミン、及び1,6−ヘキサンジオールなどが挙げられる。これらの 非相溶性連鎖延長剤は、含有される全連鎖延長剤中の1〜90重量%を占めるこ とができる。他の分岐連鎖延長剤も含むことができるが、これらは直鎖連鎖延長 剤のようにはポリウレタン組成物の結晶性の増加に役立つことはない。これらは 、ダイマージオールと同様に、硬度および強度の増加に役立つ。このような分岐 連鎖延長剤として、メチル、エチル、またはそれ以上の炭素側鎖を有する低分子 量ジオールが含まれ、これら炭素側鎖はジオールの極性を下げるのでジオールの 無極性水素化ポリジエンに対する固有の相溶性が増大する。このような連鎖延長 剤の例として、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール(PEPジオール)、1 ,2−プロパンジオール、2−エチル−2−ブチル−1,3−プロパンジオール (BEPジオール)、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール(T MPジオール)が挙げられる。 本発明の好ましい実施例の一つによれば、ハードセグメントを形成する配合物 には、ブタンジオール、プロパンジオール、ブチルエチルプロパンジオール、ト リメチルペンタンジオール及びヘキサンジオールからなる群より選択されるさら なる連鎖 延長剤も含まれる。 熱可塑性ポリウレタンを製造するための好ましい方法はプレポリマー法であり 、この方法はイソシアネート成分をまずポリジエンジオールと反応させてイソシ アネート末端プレポリマーを形成するものであり、次いでダイマージオールおよ び他の選択した連鎖延長剤とさらに反応させることができる。エラストマーを製 造するためのポリウレタン組成物を、無溶剤プレポリマー法を使用して処方する ことができる。 無溶剤プレポリマー法では、ポリジエンジオールは、少なくとも70℃かつ1 00℃を超えないように加熱して、次いで窒素気流下で所望の量のイソシアネー トと少なくとも30分間混合する。ダイマージオールと他の連鎖延長剤の所望の 量を加えてよく混合する。次に混合物を、加熱して離型剤処理した型に流し込む 。90〜110℃で数時間かけて型の中で硬化させると、ポリウレタン組成物が 形成される。 熱可塑性ポリウレタンを製造するための第二の好ましい方法は、ワンショット 法である。この方法では、ポリジエンジオールと連鎖延長ジオールを混合して9 0℃〜100℃まで加熱する。別にジイソシアネートを70℃〜80℃まで加熱 する。こ のジイソシアネートを、先のポリジエンジオールと連鎖延長ジオールの混合物に 加え、この多成分混合物を1分間激しく撹拌する。反応混合物を、あらかじめ1 05℃に加熱したテフロンコーティングした型に流し込み、138×106Pa (20,000psi)の圧力をかけてこの状態で1時間保つ。次に、得られた ポリウレタンを、雰囲気圧において105℃で16時間かけて後硬化させる。 重合過程は、触媒の存在下で行うこともできる。NCO/OH反応の促進に有 用な触媒は、テトラメチルブタンジアミン、トリエチルアミン、ピリジン、1, 4−ジアザ(2,2,2)ビシクロオクタンなどの三級アミン類や、スズジオク トエート、ジブチルスズジラウレートなどの有機金属化合物である。これらの触 媒は、0.001重量%から1.0重量%までの範囲の量が使用される。 本発明は熱可塑性ウレタン組成物の製造法も提供し、当該製造法は、上述の本 発明組成物の成分を一緒に反応させることを含み、ダイマージオールと、使用す る場合は追加の連鎖延長剤は、ポリエンジオールとイソシアネートの反応の間ま たはその後に反応させる。 さらに本発明は、上述の方法により製造され、充填剤および安定剤から選択さ れる少なくとも一種類の追加成分を任意に含む熱可塑性ウレタン組成物を提供す る。 本発明の配合物には、広範な種類の充填剤を使用することができる。適当な充 填剤には、炭酸カルシウム、粘土、タルク、酸化亜鉛、二酸化チタン、シリカ、 などがある。通常の充填剤の量は、0〜約800phr(樹脂すなわち(a)+ (b)の100重量部に対する重量部)の範囲内にあり、使用される充填剤のタ イプおよび配合物の意図する用途に依存する。好ましい充填剤は、シリカと二酸 化チタンである。充填剤は、吸着した水分がポリイソシアネートと飽和ポリヒド ロキシル化ポリジエン重合体の反応に干渉しないようにするため、完全に乾燥す るべきである。 また当業界において周知である安定剤も、組成物に含むことができる。これら は製品寿命の間に、例えば酸素、オゾン及び紫外線から保護するために使用する ことができる。またこれらは、高温加工における熱酸化分解に対して安定化させ るために使用することもできる。ウレタン硬化反応に干渉する酸化防止剤および 紫外線抑制剤は避けなければならない。好ましい酸化防止 剤は、ブチル化ヒドロキシトルエンのような立体障害をもつフェノール化合物で ある。好ましい紫外線抑制剤は、ベンゾトリアゾール化合物などの紫外線吸収剤 である。配合物中の安定剤の量は、製品の意図する用途に大きく依存する。加工 と耐久性の要求が厳しくなければ、配合物中の安定剤の量は、約1phr未満と なる。ポリウレタンが高温で混合されるか、または製品が長年の使用に耐えなけ ればならない場合は、安定剤濃度は約10phrまで含むことができる。 本発明の特に好ましい実施態様では、初期成分として、1分子当り1.9〜2 .0個の末端水酸基と40%〜60%の範囲内の1,4−付加を有し数平均分子 量が1,000〜10,000の範囲内である水素化ポリブタジエンジオール1 〜80重量%と、全体のNCO/OHモル比が0.9〜1.1となるように1分 子当り2個のイソシアネート基を有するイソシアネートとダイマージオールとを 含む、ハードセグメントを形成する配合物20〜99重量%と、を含む熱可塑性 ポリウレタンを製造するための組成物を提供する。 本発明の第二の特に好ましい実施態様では、1分子当たり1.9〜2.0個の 末端水酸基と40%〜60%の範囲内の1,4 −付加を有し数平均分子量が1000〜10,000の範囲内である水素化ポリ ブタジエンジオール1〜80重量%と、1分子当たり2個のイソシアネート基を 有するイソシアネートとダイマージオールに2−エチル−1,3−ヘキサンジオ ール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、2−エチル−2− ブチル−1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール及び1,6−ヘキ サンジオールからなる群より選択される一つ以上のジオールを合わせて含む混合 連鎖延長剤とを全体のNCO/OHモル比が0.9〜1.1となるように含む、 ハードセグメントを形成する配合物20〜99重量%と、を含む可塑性ポリウレ タンを製造するための組成物を提供する。 本発明は、以下の説明的例示によって一層理解できる。 1分子当たり1.93個の末端水酸基を有し、数平均分子量(Mn)が340 0であり、ブタジエンの1,2−付加が50%である線状水素化ブタジエンジオ ール重合体を、米国のシェル・ケミカル・カンパニー社(Shell Chem ical Company)よりKLP−L2203と表示されたものを入手し た。この重合体は25℃において粘稠液体であるが、わずかに温度を上げるだけ で容易に流動性をもつ(60℃におけ る粘度は2.5Pa.s(2500センチポイズ)である)。この長鎖ジオール は、反応前に窒素気流下90℃で数時間加熱して乾燥させた。この乾燥は500 mlガラス製反応器中で行った。 イソシアネートは、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI) を使用した。これは、アルドリッチ・ケミカル社(Aldrich Chemi cal Co.)より入手したフレーク状のものであり、使用前にはフリーザー で保存した。分配する際には、ジイソシアネートは窒素を満たしたドライボック ス内で扱った。ダイマージオールはヘンケル社(Henkel Corp.)よ り入手し、モレキュラーシーブを使用して乾燥させた。この連鎖延長短鎖ジオー ルは、使用前に50〜60℃で2〜3時間減圧乾燥した。 熱可塑性ポリウレタンを、プレポリマー法を用いて合成した。必要なジイソシ アネートの全量を、乾燥し加熱した重合体に加えた。長鎖ジオールとジイソシア ネートの反応は、90℃で90分間かけて行った。反応過程中、粘稠混合物は、 高トルク空気駆動機械攪拌装置を用いて絶え間なく攪拌した。プレポリマー合成 が終了すると、プレポリマー塊をあらかじめ加熱した ガラスびんに入れた。次に、必要量の加熱した連鎖延長ジオール(ダイマージオ ール単独または他のジオールと組み合わせたもの)をプレポリマーに加えて、高 速「カフカモ(Cafcamo)」混合機を用いて攪拌した。攪拌は2〜3分間 続け、次に混合物を剥離剤をコーティングしたアルミニウム製容器に入れた。ポ リウレタンの硬化を、減圧下90℃で16時間かけて行った。全体のNCO/O Hのモル比は、すべての場合1.00であった。 機械的試験のための試料を、熱可塑性ポリウレタンを150〜170℃でカー バー(Carver)プレスで溶融圧締して作製した。動的機械試験(DMA) および引張試験のために厚さ0.03cm(12ミル)の試料を作製した。厚さ 0.32cm(1/8インチ)の試料で測定した場合は、引張強度および伸びの 結果に顕著な差は見られなかった。硬度測定は、厚さ0.32cm(1/8イン チ)の試料を厚さ0.64cm(1/4インチ)まで重ねて行った。結果を添付 の表に示す。 動的機械試験は、アイマス「レオビブロン」(Imass“Rheovibr on”)装置を11Hzで作動させて行った。試料の動的応答を、100℃〜2 00℃において測定した。 低温度のソフトセグメントのTgは、完全なガラス状態から材料を加熱したとき のtanδの最大値により示される。流動温度を、弾性率が急激に低下し、それ に伴ってハードセグメントの軟化が起こる温度として定義した。 引張特性を、「インストロン(Instron)」引張試験機を用いて測定を 行った。引張速度は、10インチ/分とした。 硬度を、ショアAプローブを具備したデュロメータを使用して測定を行った。 プローブと試料との接触直後、および10秒の緩和時間の後に値を記録した。実施例1 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載される無溶剤プレポリマー法により、 連鎖延長剤として純粋のダイマージオールを使用して調製した。ポリウレタンは 、ハードセグメントを22、30、37.5、45、80及び90重量%含むも のを調製した。得られた重合体の物性を、表1のPU1からPU6に記載する。 適当な相溶性のバランスがこの系においては達成でき、90重量%までのハード セグメント量を含むことができた。強度の結果は、22%ハードセグメントの5 52×103Pa(80psi)から、80%ハードセグメントの27×106 Pa(3911psi)までとなった。瞬間ショアA硬度は、22%ハードセグ メントの48から、90%ハードセグメント87までの範囲となった。比較例1 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法により、連鎖延 長剤として純粋の2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオールを用いて 調製した。ポリウレタンは、ハードセグメントを22、30、45及び80重量 %含むものを調製した。得られた重合体の物性を、表1のPUAからPUDに記 載する。ハードセグメント含量の低いものは良好な物性を示したが、ハードセグ メント含量が45%を超えると相溶性が低くなり物性も劣ったものとなった。測 定における最高強度は、30%ハードセグメントの23×106Pa(3350 psi)である。45%ハードセグメントでは、強度は低下して11.7×106 Pa(1700psi)となり、80%ハードセグメントではさらに低下して 2.62×106Pa(380psi)となる。比較例2 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー 法により、連鎖延長剤として純粋のブタンジオールを使用して調製した。ポリウ レタンは、ハードセグメントを20、25及び30重量%含むものを調製した。 得られた重合体の物性を、表1のPUEからPUGに記載する。低い相溶性によ って反応の程度および得られる物性が制限を受ける以前に、少ない量のハードセ グメントしかこの系に混入することができない。最高強度(8.14×106P a(1180psi))は、20%ハードセグメントにおいて達成した。ハード セグメント含量が25%および30%まで増加すると、強度はそれぞれ6.76 ×106Pa(980psi)および1.17×106Pa(170psi)まで 減少した。 実施例2 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法により、連鎖延 長剤としてダイマージオールと2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオ ールの混合物を使用して調製した。ハードセグメント含量は、30〜45重量% の範囲とした。ダイマージオールは、連鎖延長剤の必要量の50重量%または7 5重量%とした。これらのポリウレタンの組成および得られた物性を、表2のP U7からPU11に記載する。ダイマージオールの相溶化効果は、45%ハード セグメントとダイマージオール/BEPジオールが75/25である混合物を有 するPU11の物性と、45%ハードセグメントと100%BEPジオールを有 する表1のPUCとを比較すれば理解できる。連鎖延長剤の混合物により相溶性 が改善され、強度および伸びが向上した。実施例3 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法によって、連鎖 延長剤としてダイマージオールとブタンジオールの混合物を使用して調製した。 ハードセグメント含量は30重量%とした。ダイマージオールは、連鎖延長剤の 必要量の 50重量%とした。得られた物性を、表2のPU12に記載する。ダイマージオ ールの相溶化効果は、PU12の物性と、30%ハードセグメントと100%ブ タンジオールを有する表1のPUGの物性とを比較すれば理解できる。タイマー ジオールの存在によって、さらに反応が進み、その結果流動温度、強度、及び伸 びの顕著な増加が見られた。実施例4 熱可塑性ポリウレタンを、実施例2のPU7の場合と同様に、但し、前述のブ タジエンジオール重合体の代わりに、開始剤系としてsec−ブチルリチウムと ジイソプロピルベンゼンを用いて合成したMnが3525(1H NMRによる )でOH当量が2060g/molのブタジエンジオール重合体を用いて調製し た。得られた物性を、表2のPU13に記載する。PU7における値と概して同 等であることがわかる。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】平成10年10月22日(1998.10.22) 【補正内容】 現在では、有益な硬度および強度特性を有する熱可塑性ポリウレタン組成物の 提供が可能であることが分かった。 本発明によれば、熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物が提供され、 該組成物は、その初期成分として、 (a)1分子当たり1.6〜2個の末端水酸基を有し数平均分子量が500〜2 0,000の範囲内であるポリジエンジオール1〜80重量%と、 (b)1分子当たり2個のイソシアネート基を有するイソシアネートと連鎖延長 剤としてのダイマージオールと追加の非相容性連鎖延長剤を含む、ハードセグメ ントを形成する配合物20〜99重量%と、を含む。 好ましくはポリエンジオールは1分子当たり、1.8〜2個、より好ましくは 1.9〜2個の末端水酸基を有する。好ましいポリエンジオールの数平均分子量 (Mn)は、1,000〜10,000の範囲内である。好ましいイソシアネー ト(NCO)の全OHに対するモル比は、0.9〜1.1の範囲内である。好ま しいポリエンジオールは、水素化ポリイソプレンジオールであり、より好ましく は水素化ポリブタジエンジオールである。 本発明において使用されるポリジエンジオールは、例えば、米国特許第5,3 76,745号、第5,391,663号、第5,393,843号、第5,4 05,911号、第5,416,168号に記載されるように、アニオン重合に よって適宜調製し得る。ポリジエンジオールは、1分子当たりの水酸基数が、1 .6〜2、より好ましくは1.8〜2、最も好ましくは1.9〜2であり、数平 均分子量が、500〜20,000、より好ましくは1000〜10,000の 範囲内である。水素化ポリブタジエンジオールが好ましく、粘度をできるだけ低 くするために1,4−付加が30%〜70%であることが好ましい。 またポリジエンジオールは、シリルエーテルとしてブロックされた水酸基を含 むモノリチウム開始剤を使用して合成することもできる(例えば、米国特許第5 ,376,745号および5,416,168号に記載されている)。適当な開 始剤は、水酸基をトリメチルシリルエーテルとしてブロックしたヒドロキシプロ ピルリチウムである。このモノリチウム開始剤は、ブタジエンを炭化水素または 極性溶媒中で重合させるときに使用することができる。開始剤とモノマーのモル 比が、重合体の分子量を決定する。次に、リビングポリマーを、1モルのエチレ ンオキシドでキャップして、1モルのメタノールで停止すると、モノヒドロキシ ポリジエン重合体が生成する。次にシリルエーテルを、水の存在下で酸触媒切断 により除去し、所望のジヒドロキシポリジエンジオールが生成する。 ポリブタジエンジオールを水素化して、ジオールの炭素−炭素二重結合の少な くとも90%、好ましくは少なくとも95% を飽和させる。これらの重合体および共重合体の水素化は、種々の十分に確立さ れた方法により行うことができ、ラネーニッケル、プラチナなどの貴金属等、可 溶性遷移金属触媒、米国特許第5,039,755号に記載のようなチタン触媒 なとの触媒の存在下における水素化法が含まれる。特に好ましい触媒として、2 −エチルヘキサン酸ニッケルとトリエチルアルミニウムの混合物が挙げられる。 ポリブタジエン重合体は、約40%以上の1,2−ブタジエン付加を持つこと が望ましいが、これは1,2−ブタジエン付加の含有量が約40%未満であれば 、水素化後に重合体が室温で蝋状固体となるからである。ジオールの粘度をでき るだけ低下させるためには、1,2−ブタジエン含量を約40〜60%の間にす るべきである。Tgおよび粘度を低下させるために、イソプレン重合体は80% 以上の1,4−イソプレン付加を有する。 他の従来使用された連鎖延長剤は基本的にこれらポリウレタン組成物と非相溶 性であって、他の成分と十分に反応させるためには特殊な処理が必要であるが、 その様な従来の連鎖延長剤の相容性をダイマージオールが増加させることが分か っている ので、ダイマージオール連鎖延長剤は他の連鎖延長剤と組み合わせて使用する。 このような非相溶性極性連鎖延長剤の例として、炭素側鎖をもたない直鎖連鎖延 長剤が含まれ、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、エチレン ジアミン、及び1,6−ヘキサンジオールなどが挙げられる。これらの非相溶性 連鎖延長剤は、含有される全連鎖延長剤中の1〜90重量%を占めることができ る。他の分岐鎖連鎖延長剤も含むことができるが、これらは直鎖連鎖延長剤のよ うにはポリウレタン組成物の結晶性の増加に役立つことはない。これらは、ダイ マージオールと同様に、硬度および強度の増加に役立つ。このような分岐鎖連鎖 延長剤として、メチル、エチル、またはそれ以上の炭素側鎖を有する低分子量ジ オールが含まれ、これら炭素側鎖はジオールの極性を下げるのでジオールの無極 性水素化ポリジエンに対する固有の相溶性が増大する。このような連鎖延長剤の 例として、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール(PEPジオール)、1,2 −プロパンジオール、2−エチル−2−ブチル−1,3−プロパンジオール(B EPジオール)、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール(TMP ジオール)が挙げられる。 本発明の好ましい実施例の一つによれば、ハードセグメントを形成する配合物 には、ブタンジオール、プロパンジオール、ブチルエチルプロパンジオール、ト リメチルペンタンジオール及びヘキサンジオールからなる群より選択されるさら なる連鎖延長剤も含まれる。 熱可塑性ポリウレタンを製造するための好ましい方法はプレポリマー法であり 、この方法はイソシアネート成分をまずポリジエンジオールと反応させてイソシ アネート末端プレポリマーを形成するものであり、次いでダイマージオールおよ び他の選択した連鎖延長剤とさらに反応させることができる。エラストマーを製 造するためのポリウレタン組成物を、無溶剤プレポリマー法を使用して処方する ことができる。 無溶剤プレポリマー法では、ポリジエンジオールは、少なくとも70℃かつ1 00℃を超えないように加熱して、次いで窒素気流下で所望の量のイソシアネー トと少なくとも30分間混合する。ダイマージオールと他の連鎖延長剤の所望の 量を加えてよく混合する。次に混合物を、加熱して離型剤処理した型に流し込む 。90〜110℃で数時間かけて型の中で硬化させると、ポリウレタン組成物が 形成される。 熱可塑性ポリウレタンを製造するための第二の好ましい方法は、ワンショット 法である。この方法では、ポリジエンジオールと連鎖延長ジオールを混合して9 0℃〜100℃まで加熱する。別にジイソシアネートを70℃〜80℃まで加熱 する。このジイソシアネートを、先のポリジエンジオールと連鎖延長ジオールの 混合物に加え、この多成分混合物を1分間激しく攪拌する。反応混合物を、あら かじめ105℃に加熱したテフロンコーティングした型に流し込み、138×1 06Pa(20,000psi)の圧力をかけてこの状態で1時間保つ。次に、 得られたポリウレタンを、雰囲気圧において105℃で16時間かけて後硬化さ せる。 重合過程は、触媒の存在下で行うこともできる。NCO/OH反応の促進に有 用な触媒は、テトラメチルブタンジアミン、トリエチルアミン、ピリジン、1, 4−ジアザ(2,2,2)ビシクロオクタンなどの三級アミン類や、スズジオク トエート、ジブチルスズジラウレートなどの有機金属化合物である。これらの触 媒は、0.001重量%から1.0重量%までの範囲の量が使用される。 本発明は熱可塑性ウレタン組成物の製造法も提供し、当該製 造法は、上述の本発明組成物の成分を一緒に反応させることを含み、ダイマージ オールと、使用する場合は追加の連鎖延長剤は、ポリエンジオールとイソシアネ ートの反応の間またはその後に反応させる。 さらに本発明は、上述の方法により製造され、充填剤および安定剤から選択さ れる少なくとも一種類の追加成分を任意に含む熱可塑性ウレタン組成物を提供す る。 本発明の配合物には、広範な種類の充填剤を使用することができる。適当な充 填剤には、炭酸カルシウム、粘土、タルク、酸化亜鉛、二酸化チタン、シリカ、 などがある。通常の充填剤の量は、0〜約800phr(樹脂すなわち(a)+ (b)の100重量部に対する重量部)の範囲内にあり、使用される充填剤のタ イプおよび配合物の意図する用途に依存する。好ましい充填剤は、シリカと二酸 化チタンである。充填剤は、吸着した水分がポリイソシアネートと飽和ポリヒド ロキシル化ポリジエン重合体の反応に干渉しないようにするため、完全に乾燥す るべきである。 また当業界において周知である安定剤も、組成物に含むことができる。これら は製品寿命の間に、例えば酸素、オゾン及び 紫外線から保護するために使用することができる。またこれらは、高温加工にお ける熱酸化分解に対して安定化させるために使用することもできる。ウレタン硬 化反応に干渉する酸化防止剤および紫外線抑制剤は避けなければならない。好ま しい酸化防止剤は、ブチル化ヒドロキシトルエンのような立体障害をもつフェノ ール化合物である。好ましい紫外線抑制剤は、ベンゾトリアゾール化合物などの 紫外線吸収剤である。配合物中の安定剤の量は、製品の意図する用途に大きく依 存する。加工と耐久性の要求が厳しくなければ、配合物中の安定剤の量は、約1 phr未満となる。ポリウレタンが高温で混合されるか、または製品が長年の使 用に耐えなければならない場合は、安定剤濃度は約10phrまで含むことがで きる。 本発明の特に好ましい実施態様では、1分子当たり1.9〜2.0個の末端水 酸基と40%〜60%の範囲内の1,4−付加を有し数平均分子量が1000〜 10,000の範囲内である水素化ポリブタジエンジオール1〜80重量%と、 流動温度を、弾性率が急激に低下し、それに伴ってハードセグメントの軟化が起 こる温度として定義した。 引張特性を、「インストロン(Instron)」引張試験 機を用いて測定を行った。引張速度は、10インチ/分とした。 硬度を、ショアAプローブを具備したデュロメータを使用して測定を行った。 プローブと試料との接触直後、および10秒の緩和時間の後に値を記録した。比較例1 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載される無溶剤プレボリマー法により、 連鎖延長剤として純粋のダイマージオールを使用して調製した。ポリウレタンは 、ハードセグメントを22、30、37.5、45、80及び90重量%含むも のを調製した。得られた重合体の物性を、表1のPU1からPU6に記載する。 適当な相溶性のバランスがこの系においては達成でき、90重量%までのハード セグメント量を含むことができた。強度の結果は、22%ハードセグメントの5 52×103Pa(80psi)から、80%ハードセグメントの27×106P a(3911psi)までとなった。瞬間ショアA硬度は、22%ハードセグメ ントの48から、90%ハードセグメント87までの範囲となった。比較例2 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー 法により、連鎖延長剤として純粋の2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパン ジオールを用いて調製した。ポリウレタンは、ハードセグメントを22、30、 45及び80重量%含むものを調製した。得られた重合体の物性を、表1のPU AからPUDに記載する。ハードセグメント含量の低いものは良好な物性を示し たが、ハードセグメント含量が45%を超えると相溶性が低くなり物性も劣った ものとなった。測定における最高強度は、30%ハードセグメントの23×106 Pa(3350psi)である。45%ハードセグメントでは、強度は低下し て11.7×106Pa(1700psi)となり、80%ハードセグメントで はさらに低下して2.62×106Pa(380psi)となる。比較例3 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法により、連鎖延 長剤として純粋のブタンジオールを使用して調製した。ポリウレタンは、ハード セグメントを20、25及び30重量%含むものを調製した。得られた重合体の 物性を、表1のPUEからPUGに記載する。低い相溶性によって反応の程度お よび得られる物性が制限を受ける以前に、少ない量の ハードセグメントしかこの系に混入することができない。最高強度(8.14× 106Pa(1180psi))は、20%ハードセグメントにおいて達成した 。ハードセグメント含量が25%および30%まで増加すると、強度はそれぞれ 6.76×106Pa(980psi)および1.17×106Pa(170ps i)まで減少した。実施例1 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法により、連鎖延 長剤としてダイマージオールと2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオ ールの混合物を使用して調製した。ハードセグメント含量は、30〜45重量% の範囲とした。ダイマージオールは、連鎖延長剤の必要量の50重量%または7 5重量%とした。これらのポリウレタンの組成および得られた物性を、表2のP U7からPU11に記載する。ダイマージオールの相溶化効果は、45%ハード セグメントとダイマージオール/BEPジオールが75/25である混合物を有 するPU11の物性と、45%ハードセグメントと100%BEPジオールを有 する表1のPUCとを比較すれば理解できる。連鎖延長剤の混合物により相溶性 が改善され、強度および伸びが向上した。実施例2 熱可塑性ポリウレタンを、一般的に記載されるプレポリマー法によって、連鎖 延長剤としてダイマージオールとブタンジオールの混合物を使用して調製した。 ハードセグメント含量は30重量%とした。ダイマージオールは、連鎖延長剤の 必要量の50 重量%とした。得られた物性を、表2のPU12に記載する。ダイマージオール の相溶化効果は、PU12の物性と、30%ハードセクメントと100%ブタン ジオールを有する表1のPUGの物性とを比較すれば理解できる。ダイマージオ ールの存在によって、さらに反応が進み、その結果流動温度、強度、及び伸びの 顕著な増加が見られた。実施例3 熱可塑性ポリウレタンを、実施例1のPU7の場合と同様に、但し、前述のブ タジエンジオール重合体の代わりに、開始剤系としてsec−ブチルリチウムと ジイソプロピルベンゼンを用いて合成したMnが3525(1H NMRによる )でOH当量が2060g/molのブタジエンジオール重合体を用いて調製し た。得られた物性を、表2のPU13に記載する。PU7における値と概して同 等であることがわかる。請求の範囲 1.初期成分として、 (a)1分子当たり1.6〜2個の末端水酸基を有し数平均分子量が500〜2 0,000の範囲内であるポリジエンジオール1〜80重量%、及び (b)1分子当たり2個のイソシアネート基を有するイソシアネートと連鎖延長 剤としてのダイマージオールと追加の非相容性連鎖延長剤を含む、ハードセグメ ント形成性配合物20〜99重量% を含む熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物。 2.前記ポリジエンジオールが1分子当たり1.9〜2個の水酸基を有する請求 項1記載の組成物。 3.前記ポリジエンジオールの数平均分子量が1,000〜10,000の範囲 内である請求項1または2に記載の組成物。 4.前記ポリジエンジオールが水素化ポリブタジエンジオールまたは水素化ポリ イソプレンジオールである請求項1、2又は3に記載の組成物。 5.前記ハードセグメントを形成する配合物に含まれる追加の 連鎖延長剤が、ブタンジオール、プロパンジオール、ブチルエチルプロパンジオ ール、トリメチルペンタンジオール及びヘキサンジオールからなる群より選択さ れる請求項1から4のいずれか1項に記載の組成物。 6.全体のNCOとOHのモル比が0.9〜1.1の範囲内である請求項1から 5のいずれか1項に記載の組成物。 7.前記イソシアネートが、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、ト ルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソ シアネート、エチレンジイソシアネート及びパラフェニルジイソシアネートから なる群より選択される請求項1から6のいずれか1項に記載の組成物。 8.前記ダイマージオールが36個の炭素原子を含む請求項1から7のいずれか 1項に記載の組成物。 9.請求項1から8のいずれか1項に記載の組成物の成分を一緒に反応させるこ とを含み、前記ダイマージオールと追加の連鎖延長剤は、前記ポリエンジオール と前記イソシアネートの反応中または反応後に反応させる、熱可塑性ポリウレタ ン組成物の製造法。 10.請求項9に記載の製造法により製造され、任意に充填剤 および安定剤から選択される少なくとも一種類の追加成分を含む熱可塑性ポリウ レタン組成物。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.初期成分として、 (a)1分子当たり1.6〜2個の末端水酸基を有し数平均分子量が500〜2 0,000の範囲内であるポリジエンジオール1〜80重量%、及び (b)1分子当たり2個のイソシアネート基を有するイソシアネートと連鎖延長 剤としてのダイマージオールを含む、ハードセグメント形成性配合物20〜99 重量% を含む熱可塑性ポリウレタンを製造するための組成物。 2.前記ポリジエンジオールが1分子当たり1.9〜2個の水酸基を有する請求 項1記載の組成物。 3.前記ポリジエンジオールの数平均分子量が1,000〜10,000の範囲 内である請求項1または2に記載の組成物。 4.前記ポリジエンジオールが水素化ポリブタジエンジオールまたは水素化ポリ イソプレンジオールである請求項1、2又は3に記載の組成物。 5.前記ハードセグメントを形成する配合物が、ブタンジオール、プロパンジオ ール、ブチルエチルプロパンジオール、トリ メチルペンタンジオール及びヘキサンジオールからなる群より選択される連鎖延 長剤も更に含む請求項1から4のいずれか1項に記載の組成物。 6.全体のNCOとOHのモル比が0.9〜1.1の範囲内である請求項1から 5のいずれか1項に記載の組成物。 7.前記イソシアネートが、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、ト ルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソ シアネート、エチレンジイソシアネート及びパラフェニルジイソシアネートから なる群より選択される請求項1から6のいずれか1項に記載の組成物。 8.前記ダイマージオールが36個の炭素原子を含む請求項1から7のいずれか 1項に記載の組成物。 9.請求項1から8のいずれか1項に記載の組成物の成分を一緒に反応させるこ とを含み、前記ダイマージオールと、使用する場合には追加の連鎖延長剤は、前 記ポリエンジオールと前記イソシアネートの反応中または反応後に反応させる熱 可塑性ポリウレタン組成物の製造法。 10.請求項9に記載の製造法により製造され、任意に充填剤 および安定剤から選択される少なくとも一種類の追加成分を含む熱可塑性ポリウ レタン組成物。
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