JP2003171435A - Method for producing allophanate-modified polyisocyanate - Google Patents
Method for producing allophanate-modified polyisocyanateInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アロファネート変
性ポリイソシアネートの製造方法に関する。更に詳細に
は、低粘度であり、貧溶媒への溶解性が良好で、耐久性
に優れたアロファネート変性ポリイソシアネートの製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】塗料、接着剤等の硬化剤として、ポリイ
ソシアネート硬化剤が広く使用されている。中でも、イ
ソシアヌレート基を有するポリイソシアネートは、耐候
性、耐熱性、耐久性に優れていることが知られている。
【0003】しかしながら、イソシアヌレート基を有す
るポリイソシアネートは溶解性が大きいとは言えるもの
でなく、また、粘度も高い場合が多い。このため、硬化
剤としての使用に際しては、溶解力が強く、かつ、毒性
の強い酢酸エチル、酢酸ブチル、メチルエチルケトン等
の有機溶剤で希釈する必要がある。このような有機溶剤
は、臭気の問題や下地の浸食等の危険性がある。更に作
業性を向上させるために、固形分を低くする必要があ
る。
【0004】このような問題を解決するために、アロフ
ァネート基含有ポリイソシアネートを用いることが提案
されている。例えば特開平8−325516号公報で
は、イソシアヌレート基とアロファネート基を有するポ
リイソシアネートが提案されている。また、特開平10
−168155号公報では、特定の分子量を有するポリ
オールと有機ジイソシアネートから得られるアロファネ
ート基を有するポリイソシアネートが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
8−325516号公報において実際に製造されている
ポリイソシアネートは、イソシアヌレート基を有してい
るため、まだ粘度が大きすぎる。また、特開平10−1
68155号公報では、ポリオールの分子量が大きいた
め、得られるポリイソシアネートのイソシアネート含量
が低くなる。
【0006】本発明は、上記課題を鑑み、低粘度で貧溶
媒に可溶であり、イソシアネート含量が充分なアロファ
ネート変性ポリイソシアネートの製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者等は鋭意検討し
た結果、特定原料、特定触媒を用いる製造方法によって
得られたアロファネート基含有ポリイソシアネートが、
上記課題を解決することを見いだし、本発明を完成させ
るに至った。
【0008】すなわち本発明は、実質的に有機溶剤、ウ
レタン基、ウレトジオン基、イソシアヌレート基を含有
せず、25℃における粘度が2,000mPa・s以
下、イソシアネート含量が5〜25質量%であるアロフ
ァネート変性ポリイソシアネートを、以下の工程にて行
うことを特徴とする製造方法である。
第一工程:有機ジイソシアネート(a)、並びに公称官
能基数1〜3、数平均分子量500〜3,000のポリ
プロピレングリコール系ポリエーテルポリオール(以
下、PPG系ポリオールと称する)(b)、及び炭素数
1〜20のアルキルアルコール(c)とを、イソシアネ
ート基が水酸基に対して過剰となる量を仕込み、70〜
150℃にてアロファネート化触媒としてカルボン酸ジ
ルコニウム塩(d)の存在下でウレタン基が実質的に存
在しなくなるまでアロファネート化反応させる工程。
第二工程:触媒毒(e)を添加して、アロファネート化
反応を停止する工程。
第三工程:遊離の有機ジイソシアネート(a)を含有量
が1%以下になるまで除去する工程。
【0009】
【発明の実施の手段】本発明に用いられる原料について
説明する。本発明に用いられる有機ジイソシアネート
(a)としては、2,4−トリレンジイソシアネート、
2,6−トリレンジイソシアネート、4,4′−ジフェ
ニルメタンジイソシアネート、2,4′−ジフェニルメ
タンジイソシアネート、2,2′−ジフェニルメタンジ
イソシアネート、4,4′−ジフェニルエーテルジイソ
シアネート、2−ニトロジフェニル−4,4′−ジイソ
シアネート、2,2′−ジフェニルプロパン−4,4′
−ジイソシアネート、3,3′−ジメチルジフェニルメ
タン−4,4′−ジイソシアネート、4,4′−ジフェ
ニルプロパンジイソシアネート、m−フェニレンジイソ
シアネート、p−フェニレンジイソシアネート、ナフチ
レン−1,4−ジイソシアネート、ナフチレン−1,5
−ジイソシアネート、3,3′−ジメトキシジフェニル
−4,4′−ジイソシアネート等の芳香族イソシアネー
ト;ヘキサメチレンジイソシアネート(以下、HDIと
称する)、1,4−テトラメチレンジイソシアネート、
2−メチルペンタン−1,5−ジイソシアネート、リジ
ンジイソシアネート等の脂肪族イソシアネート;キシリ
レン−1,4−ジイソシアネート、キシリレン−1,3
−ジイソシアネート等の芳香脂肪族ジイソシアネート;
イソホロンジイソシアネート、水素添加トリレンジイソ
シアネート、水素添加キシレンジイソシアネート、水素
添加ジフェニルメタンジイソシアネート、水素添加テト
ラメチルキシレンジイソシアネート等の脂環族ジイソシ
アネート等が挙げられる。これらの有機ジイソシアネー
トは、単独あるいは2種以上の混合物のいずれの形態で
用いてもよい。
【0010】上記した有機ジイソシアネートの中では、
耐候性等の点を考慮すると、無黄変イソシアネートであ
るHDIが好適である。
【0011】本発明に用いられるPPG系ポリオール
(b)は、公称官能基数1〜3、数平均分子量が500
〜3,000の水酸基含有ポリエーテルであり、好まし
くは公称官能基数1〜2、数平均分子量が500〜2,
000のポリエーテルである。数平均分子量が大きすぎ
る場合は、得られるポリイソシアネートのイソシアネー
ト含量が小さくなり、これを塗料用硬化剤として用いる
と、塗膜の物性が発現しにくい。また、数平均分子量が
小さすぎる場合は、得られるポリイソシアネートが貧溶
剤に溶解しにくくなる。公称官能基数が高すぎる場合、
得られるポリイソシアネートの官能基数が高くなり、粘
度が高くなりすぎる場合がある。なお「ポリプロピレン
系」とは、主とする繰り返し構造単位がオキシプロピレ
ン基であるということであり、オキシエチレン基等、他
のオキシアルキレン基を含んでいてもよいという趣旨で
ある。
【0012】(b)は公知の方法で得られ、例えば、メ
タノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパ
ノール、n−ブタノール、i−ブタノール、t−ブタノ
ール等のモノオール類、エチレングリコール、1,2−
プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2
−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−
ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、2−メチ
ル−1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−
ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペ
ンチルグリコール、1,8−オクタンジオール、1,9
−ノナンジオール、2,2−ジエチル−1,3−プロパ
ンジオール、2−n−ブチル−2−エチル−1,3−プ
ロパンジオール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペ
ンタンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオー
ル、2−n−ヘキサデカン−1,2−エチレングリコー
ル、2−n−エイコサン−1,2−エチレングリコー
ル、2−n−オクタコサン−1,2−エチレングリコー
ル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、
1,4−シクロヘキサンジメタノール、あるいはビスフ
ェノールAのエチレンオキサイド又はプロピレンオキサ
イド付加物、水素添加ビスフェノールA、3−ヒドロキ
シ−2,2−ジメチルプロピル−3−ヒドロキシ−2,
2−ジメチルプロピオネート等のジオール類、トリメチ
ロールプロパン、グリセリン等のトリオール類、エチル
アミン、アニリン等のモノアミン類、モノエタノールア
ミン等のモノヒドロキシモノアミノタイプのアミノアル
コール類、アンモニア等の1種又は2種以上を開始剤と
して、プロピレンオキサイドを主成分とするアルキレン
オキサイドを開環重合させたものが挙げられる。なお、
(b)は1種又は2種以上を混合して使用することがで
きる。
【0013】本発明で好ましい(b)は、得られるポリ
イソシアネートの貧溶剤への溶解性を考慮すると、繰り
返し構造単位におけるオキシプロピレン基が80モル%
以上である。
【0014】本発明に用いられるアルキルアルコール
(c)は、炭素数が1〜20好ましくは3〜10の化合
物である。(c)としては、メタノール、エタノール、
プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノー
ル、オクタノール、ステアリルアルコール等が挙げられ
る。なお、(c)は1種又は2種以上を混合して使用す
ることができる。
【0015】本発明では、アロファネート化触媒として
カルボン酸ジルコニウム塩(d)を用いることを特徴と
する。このカルボン酸としては、酢酸、プロピオン酸、
酪酸、カプロン酸、オクチル酸、ラウリン酸、ミリスチ
ン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、2−エチルヘキサ
ン酸等の飽和脂肪族カルボン酸類、シクロヘキサンカル
ボン酸、シクロペンタンカルボン酸等の飽和単環カルボ
ン酸類、ビシクロ(4.4.0)デカン−2−カルボン
酸等の飽和複環カルボン酸類、ナフテン酸等の上記した
カルボン酸の混合物、オレイン酸、リノール酸、リノレ
ン酸、大豆油脂肪酸、トール油脂肪酸等の不飽和脂肪族
カルボン酸類、ジフェニル酢酸等の芳香脂肪族カルボン
酸類、安息香酸、トルイル酸等の芳香族カルボン酸類が
挙げられる。本発明では、飽和脂肪族カルボン酸のジル
コニウム塩が好ましい。
【0016】一般的には、カルボン酸の金属塩はアロフ
ァネート化触媒となりうるものであり、この金属として
は、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金
属、マグネシウム、カルシウム、バリウム等のアルカリ
土類金属、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜
鉛等の遷移金属、アルミニウム等のホウ素族の金属、ス
ズ、鉛等の炭素族の金属、チタン、ジルコニウム等のチ
タン族金属等が挙げられる。本発明者らは、アロファネ
ート化触媒としてのカルボン酸ジルコニウム塩が、毒性
が少なく、副反応(高粘度化につながるイソシアヌレー
ト基の生成や、耐久性低下につながるウレトジオン基の
生成等)が抑えられる性能を有することを見いだした。
【0017】本発明に用いられる触媒毒(e)として
は、リン酸、塩酸等の無機酸、スルホン酸基、スルファ
ミン酸基等を有する有機酸及びこれらのエステル類、ア
シルハライド等公知の物が挙げられる。
【0018】次に具体的な製造手順について説明する。
本発明は、以下の工程からなる。
第一工程:有機ジイソシアネート(a)、並びにPPG
系ポリオール(b)及びアルキルアルコール(c)と
を、イソシアネート基が水酸基に対して過剰となる量を
仕込み、70〜150℃にてアロファネート化触媒とし
てカルボン酸ジルコニウム塩(d)の存在下でウレタン
基が実質的に存在しなくなるまでアロファネート化反応
させる工程。
第二工程:触媒毒(e)を添加して、アロファネート化
反応を停止する工程。
第三工程:遊離の有機ジイソシアネート(a)を含有量
が1%以下になるまで除去する工程。
【0019】第一工程は、ウレタン化反応とアロファネ
ート化反応を同時に行う工程であり、具体的には、有機
ジイソシアネート(a)、並びにPPG系ポリオール
(b)及びアルキルアルコール(c)とを、イソシアネ
ート基が水酸基に対して過剰となる量を仕込んで、70
〜150℃にてアロファネート化触媒(c)の存在下で
ウレタン化反応及びアロファネート化反応を同時に行う
工程である。
【0020】ここで「イソシアネート基が水酸基に対し
て過剰となる量」とは、原料仕込みの際、イソシアネー
ト基が水酸基に対して過剰となるという意味であり、仕
込みの際のイソシアネート基と水酸基のモル比がイソシ
アネート基/水酸基=8以上が好ましく、10〜50が
特に好ましい。
【0021】ここで、ウレタン化反応とアロファネート
化反応を別々に行うことも可能である。しかし、多段反
応とすると製造時間が長くなり、得られるポリイソシア
ネートが着色する場合がある。このため、本発明では、
一段反応、すなわちウレタン化反応とアロファネート化
反応を同時に行うこととした。
【0022】この際における(b)と(c)の質量比は
(b):(c)=90/10〜10/90が好ましく、
特に(b):(c)=85/15〜15/85が好まし
い。(b)が多すぎる場合は、得られるポリイソシアネ
ートの貧溶剤への溶解性が低下しやすくなる。(c)が
多すぎる場合は、得られるポリイソシアネートのイソシ
アネート含量が小さくなる。
【0023】反応温度は70〜150℃であり、好まし
くは80〜130℃である。反応温度が低すぎる場合は
反応時間が長くなり、得られるポリイソシアネート中の
イソシアヌレート基が多くなり、高粘度となりやすい。
また、反応温度が高すぎる場合は、得られるポリイソシ
アネートの着色が大きくなりやすい。
【0024】第一工程における反応時間は、通常10時
間以内が好ましく、特に好ましくは5時間以内である。
【0025】アロファネート化触媒(d)の使用量はそ
の種類により異なるが、上記(a)〜(c)の総和量に
対して、0.0005〜1質量%が好ましく、0.00
1〜0.1質量%がより好ましい。触媒使用量が0.0
005質量%未満の場合は、(イ)反応温度が適切であ
っても、反応が遅くなって長時間を要し、得られるポリ
イソシアネートのイソシアヌレート基含有量が多くな
り、高粘度となりやすい。又は(ロ)適切な反応時間と
するには、反応温度を高くする必要があるが、アロファ
ネート化が進行せず、また、副反応であるイソシアネー
ト基のウレトジオン化反応やイソシアヌレート化反応が
進行し、高粘度となりやすい。触媒使用量が1質量%を
超える場合は、反応制御が難しくなり、副反応であるウ
レトジオン化反応や化反応が進行し、高粘度となりやす
い。
【0026】なお、このとき必要に応じて有機溶剤を用
いることができる。この有機溶剤としては、n−ヘキサ
ン、オクタン等の脂肪族炭化水素系有機溶剤、シクロヘ
キサン、メチルシクロヘキサン等の脂環族炭化水素系有
機溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブ
チルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系有機溶剤、
酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル
等のエステル系有機溶剤、エチレングリコールエチルエ
ーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテ
ルアセテート、3−メチル−3−メトキシブチルアセテ
ート、エチル−3−エトキシプロピオネート等のグリコ
ールエーテルエステル系有機溶剤、ジエチルエーテル、
テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系有機溶
剤、塩化メチル、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化
炭素、臭化メチル、ヨウ化メチレン、ジクロロエタン等
のハロゲン化脂肪族炭化水素系有機溶剤、N−メチルピ
ロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミ
ド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホニルア
ミド等の極性非プロトン溶剤等が挙げられる。前記溶剤
は1種又は2種以上使用することができる。なお、有機
溶剤を用いた場合であっても、この有機溶剤は、後述す
る第三工程により、遊離の有機ジイソシアネート(a)
とともに除去されることになる。
【0027】第二工程は、アロファネート化反応後、触
媒毒(e)を添加してアロファネート化反応を停止させ
る工程である。触媒毒(e)の添加時期は、アロファネ
ート化反応後であれば特に制限はないが、第三工程にお
ける、遊離の有機ジイソシアネートを除去する方法に薄
膜蒸留を行う場合は、アロファネート反応後かつ蒸留前
に触媒毒(d)の添加を行うのが好ましい。これは、蒸
留時の熱により、副反応が起こるのを防止するためであ
る。
【0028】触媒毒(e)の添加量はその種類や触媒の
種類により異なるが、触媒の0.5〜2当量となる量が
好ましく、0.8〜1.5当量が特に好ましい。触媒毒
が少なすぎる場合は、得られるポリイソシアネートの貯
蔵安定性が低下しやすい。多すぎる場合は、得られるポ
リイソシアネートが着色する場合がある。
【0029】第三工程は、遊離の有機ジイソシアネート
(a)を除去する工程である。本発明においては、基本
的にはアロファネート化反応後の生成物には、遊離の有
機ジイソシアネートが存在している。この遊離の有機ジ
イソシアネートは、臭気や経時変化した場合に濁りの原
因となるため、遊離の有機ジイソシアネート含有量が1
質量%以下となるまで未反応の有機ジイソシアネート
(a)を除去するのが好ましい。なお、遊離の有機ジイ
ソシアネート含有量は、ガスクロマトグラフィーで測定
した値である。
【0030】遊離の有機ジイソシアネートを除去する方
法としては、蒸留、再沈、抽出等公知の方法が挙げら
れ、蒸留法、特に薄膜蒸留法を使用すると、溶剤等を用
いる必要がないので好ましい。また、好ましい薄膜蒸留
の条件としては、圧力:0.1kPa以下、温度:10
0〜200℃であり、特に好ましい条件は圧力:0.0
5kPa以下、温度:120〜180℃である。
【0031】このようにして得られたアロファネート変
性ポリイソシアネートは、実質的に有機溶剤、ウレタン
基、ウレトジオン基、イソシアヌレート基を含有しない
ものである。なお、「実質的に」とは、得られるポリイ
ソシアネートに対して影響をほとんど与えない程度に、
という意味であり、これらの痕跡程度の存在は本発明の
許容範囲である。
【0032】本発明によって得られたアロファネート変
性ポリイソシアネートの25℃の粘度は2,000mP
a・s以下であり、好ましくは100〜1,800mP
a・sである。また、イソシアネート含量は5〜25質
量%が好ましく、特に好ましくは8〜13質量%であ
る。イソシアネート含量が5質量%未満では、塗膜の架
橋密度が低くなる場合がある。25質量%を超えると、
貧溶剤への溶解性が低下する場合がある。
【0033】また、本発明によって得られたアロファネ
ート変性ポリイソシアネートは、貧溶剤に可溶であり、
具体的にはポリイソシアネート/貧溶剤=50/1〜1
/50(質量比)の範囲内で分離や濁りを生じないこと
である。なお、貧溶剤とは、脂肪族、脂環式及び/又は
芳香族炭化水素系の有機溶剤を含んだアニリン点10〜
70℃、好ましくは12〜65℃、より好ましくは15
℃〜60℃の範囲の溶解力の弱い有機溶剤である。この
ような有機溶剤の例としては、メチルシクロヘキサン
(アニリン点40℃)、エチルシクロヘキサン(アニリ
ン点44℃)、ミネラルスピリット(アニリン点56
℃)、テレビン油(アニリン点20℃)等の他に、一般
に石油系炭化水素として市販されているハウス(シェル
化学製、アニリン点15℃)、スワゾール310(丸善
化学製、アニリン点16℃)、エッソナフサNo.6
(エクソン化学製、アニリン点43℃)、ロウス(シェ
ル化学製、アニリン点44℃)、ペガゾール3040
(モービル石油製、アニリン点55℃)等が挙げられ
る。
【0034】本発明によって得られたアロファネート変
性ポリイソシアネートには、必要に応じて、酸化防止剤
や、紫外線吸収剤、顔料、染料、溶剤、難燃剤、加水分
解防止剤、潤滑剤、可塑剤、充填剤、貯蔵安定剤等の添
加剤を適宜配合することができる。
【0035】本発明によって得られたアロファネート変
性ポリイソシアネートは、二液ポリウレタン塗料用硬化
剤に最適である。主剤には、二液ポリウレタン塗料分野
で使用されるポリオールであり、例えば脂肪族炭化水素
ポリオール類、フッ素ポリオール類、ポリエーテルポリ
オール類、ポリエステルポリオール類、ポリカーボネー
トポリオール類、エポキシ樹脂類、アクリルポリオール
類、及びアルキドポリオール類等の中の1種類またはそ
の混合物などが挙げられる。特にフッ素ポリオール類や
アクリルポリオール類は耐候性が優れているため、より
好ましい。これらのポリオールは、溶液重合や、縮合反
応など公知の技術で製造される。1分子中に2つ以上の
水酸基を有するポリオールである。
【0036】主剤は、貧溶剤に溶解しないタイプであっ
ても当然に本発明のポリイソシアネートと組み合わせて
使用可能であるが、貧溶剤に溶解するものが、本発明の
ポリイソシアネートの性能を発揮できる。主剤用ポリオ
ールは、1〜300mgKOH/g、好ましくは10〜
150mgKOH/g、より好ましくは20〜100m
gKOHの水酸価を有するものが好ましい。水酸価が1
mgKOH/g未満の場合は、塗膜が脆弱となるため好
ましくない。水酸基価が300mgKOH/gを超える
と、塗膜の表面の平滑性が損なわれる場合や、塗膜が硬
く脆くなる場合があり好ましくない。
【0037】主剤ポリオールとポリイソシアネートの、
イソシアネート基と水酸基の当量比は、イソシアネート
基/水酸基=9/1〜1/9、好ましくは8/2〜2/
8である。水酸基が上記範囲より過剰の場合は、塗膜が
脆弱となる場合がある。イソシアネート基が過剰の場合
は、架橋に関与しないポリイソシアネートが多量に存在
するため、塗膜が脆くなる場合がある。
【0038】
【実施例】本発明について、実施例、比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定され
るものではない。なお、実施例、比較例において「%」
は「質量%」を意味する。
【0039】〔アロファネート変性ポリイソシアネート
の製造〕
実施例1
攪拌機、温度計、冷却器及び窒素ガス導入管のついた容
量:1Lの反応器に、ヘキサメチレンジイソシアネート
を810g、ポリオール−1を155g、i−プロパノ
ールを35g、2−エチルヘキサン酸ジルコニウムを
0.2g仕込み、90℃にて3時間反応させた。反応生
成物をFT−IR及び13C−NMRにて分析したとこ
ろ、ウレタン基は消失していた。更にリン酸を0.1g
仕込み50℃で1時間停止反応を行った。生成物のイソ
シアネート含量は34.3%であった。この反応生成物
を130℃、0.04kPaの条件にて薄膜蒸留を行
い、アロファネート基含有ポリイソシアネートP−1を
得た。収率は42%であった。P−1のイソシアネート
含量は12.5%、25℃の粘度が450mPa・s、
遊離のHDI含有量が0.2%であった。また、P−1
をFT−IR、13C−NMRにて分析したところ、ウレ
タン基はその存在が認められず、アロファネート基の存
在が確認され、ウレトジオン基及びイソシアヌレート基
は痕跡程度認められた。平均官能基数は2.3であっ
た。なお、平均官能基数は、イソシアネート含量と数平
均分子量から算出した。
【0040】実施例2〜4、比較例1〜4
実施例1と同様な装置・手順で、表1に示す原料を用い
てアロファネート変性ポリイソシアネートP−2〜8を
得た。
【0041】
【表1】
【0042】実施例1〜4、比較例1〜4、表1におい
て【0043】〔塗料ポリイソシアネートの評価〕
応用実施例1〜4、応用比較例1〜4
・貧溶剤希釈試験
得られたポリイソシアネートをソルベントA(日石三菱
製貧溶剤)にて希釈して、トレランスを測定した。結果
を表2に示す。
【0044】
【表2】
【0045】応用実施例5〜8、応用比較例5〜7
・耐揮発油性(主剤用樹脂との相溶性)
得られたポリイソシアネート、アクリディックA−82
3(アクリルポリオール溶液、固形分=50%、水酸基
価=30mgKOH/g、大日本インキ化学工業製)、
ソルベントAを表3に示す配合で混合して、固形分=5
0%のクリヤー塗料を調製した。その後、調製した塗料
を鋼板上に塗布し、20℃、65%RHの条件で1週間
静置して、乾燥膜厚30〜40μmの塗膜を形成させた
試験片を得た。得られた試験片を25℃のソルベントA
に4時間浸漬し、その後の外観を確認した。結果を表3
に示す。なお、P−8については、前述の貧溶剤希釈試
験結果において、ソルベントAに不溶(0.5倍未満)
であったので、評価しなかった。
【0046】
【表3】
【0047】表2、3より、実施例のポリイソシアネー
トは、貧溶剤への溶解性、耐揮発油性は良好であった
が、比較例のポリイソシアネートは貧溶剤への溶解性、
耐揮発油性の両方とも良好となったものはなかった。
【0048】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によって得ら
れたポリイソシアネートは、低粘度で貧溶媒に可溶であ
り、イソシアネート含量が充分なものであった。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an allophanate-modified polyisocyanate. More specifically, the present invention relates to a method for producing an allophanate-modified polyisocyanate having low viscosity, good solubility in a poor solvent, and excellent durability. [0002] Polyisocyanate curing agents are widely used as curing agents for paints, adhesives and the like. Among them, polyisocyanates having an isocyanurate group are known to be excellent in weather resistance, heat resistance, and durability. [0003] However, polyisocyanates having isocyanurate groups cannot be said to have high solubility and often have high viscosity. For this reason, when used as a curing agent, it is necessary to dilute with an organic solvent such as ethyl acetate, butyl acetate, and methyl ethyl ketone, which have strong dissolving power and are highly toxic. Such an organic solvent has a risk of an odor problem and erosion of a base. In order to further improve the workability, it is necessary to lower the solid content. In order to solve such a problem, it has been proposed to use an allophanate group-containing polyisocyanate. For example, JP-A-8-325516 proposes a polyisocyanate having an isocyanurate group and an allophanate group. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open
JP-168155A proposes a polyisocyanate having an allophanate group obtained from a polyol having a specific molecular weight and an organic diisocyanate. [0005] However, the polyisocyanate actually produced in JP-A-8-325516 has an isocyanurate group and therefore has too high a viscosity. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-1
In Japanese Patent No. 68155, since the molecular weight of the polyol is large, the isocyanate content of the obtained polyisocyanate is low. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for producing an allophanate-modified polyisocyanate which has a low viscosity, is soluble in a poor solvent, and has a sufficient isocyanate content. Means for Solving the Problems As a result of intensive studies, the present inventors have found that allophanate group-containing polyisocyanates obtained by a production method using a specific raw material and a specific catalyst are:
The inventors have found that the above-mentioned problems have been solved, and have completed the present invention. That is, the present invention contains substantially no organic solvent, urethane group, uretdione group or isocyanurate group, has a viscosity at 25 ° C. of 2,000 mPa · s or less, and has an isocyanate content of 5 to 25% by mass. A production method characterized in that the allophanate-modified polyisocyanate is performed in the following steps. First step: an organic diisocyanate (a), a polypropylene glycol-based polyether polyol having a nominal number of functional groups of 1 to 3 and a number average molecular weight of 500 to 3,000 (hereinafter referred to as a PPG-based polyol) (b), and a carbon number of 1 To 20 to 20 alkyl alcohols (c) in an amount such that the isocyanate groups become excessive with respect to the hydroxyl groups.
A step of performing an allophanate reaction at 150 ° C. in the presence of a zirconium carboxylate (d) as an allophanate catalyst until substantially no urethane group is present. Second step: a step of adding a catalyst poison (e) to stop the allophanation reaction. Third step: a step of removing free organic diisocyanate (a) until the content becomes 1% or less. The raw materials used in the present invention will be described. As the organic diisocyanate (a) used in the present invention, 2,4-tolylene diisocyanate,
2,6-tolylene diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,2'-diphenylmethane diisocyanate, 4,4'-diphenyl ether diisocyanate, 2-nitrodiphenyl-4,4'- Diisocyanate, 2,2'-diphenylpropane-4,4 '
-Diisocyanate, 3,3'-dimethyldiphenylmethane-4,4'-diisocyanate, 4,4'-diphenylpropane diisocyanate, m-phenylene diisocyanate, p-phenylene diisocyanate, naphthylene-1,4-diisocyanate, naphthylene-1,5
Aromatic isocyanates such as diisocyanate, 3,3'-dimethoxydiphenyl-4,4'-diisocyanate; hexamethylene diisocyanate (hereinafter referred to as HDI), 1,4-tetramethylene diisocyanate;
Aliphatic isocyanates such as 2-methylpentane-1,5-diisocyanate and lysine diisocyanate; xylylene-1,4-diisocyanate, xylylene-1,3
Araliphatic diisocyanates such as diisocyanates;
Examples include alicyclic diisocyanates such as isophorone diisocyanate, hydrogenated tolylene diisocyanate, hydrogenated xylene diisocyanate, hydrogenated diphenylmethane diisocyanate, and hydrogenated tetramethylxylene diisocyanate. These organic diisocyanates may be used alone or in the form of a mixture of two or more. [0010] Among the above-mentioned organic diisocyanates,
Considering the weather resistance and the like, HDI, which is a non-yellowing isocyanate, is preferred. The PPG polyol (b) used in the present invention has a nominal number of functional groups of 1 to 3 and a number average molecular weight of 500.
3,000 hydroxyl group-containing polyethers, preferably having a nominal number of functional groups of 1-2, and a number average molecular weight of 500-2,
000 polyethers. If the number average molecular weight is too large, the isocyanate content of the resulting polyisocyanate will be small, and if this is used as a curing agent for coatings, the physical properties of the coating film will not be easily exhibited. On the other hand, if the number average molecular weight is too small, the resulting polyisocyanate becomes difficult to dissolve in the poor solvent. If the nominal number of functional groups is too high,
The polyisocyanate obtained may have a high number of functional groups and the viscosity may be too high. The “polypropylene” means that the main repeating structural unit is an oxypropylene group, and means that it may contain another oxyalkylene group such as an oxyethylene group. (B) is obtained by a known method, for example, monools such as methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol and t-butanol, ethylene glycol, 1, 2-
Propanediol, 1,3-propanediol, 1,2
-Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-
Butanediol, 1,5-pentanediol, 2-methyl-1,5-pentanediol, 3-methyl-1,5-
Pentanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol, 1,8-octanediol, 1,9
-Nonanediol, 2,2-diethyl-1,3-propanediol, 2-n-butyl-2-ethyl-1,3-propanediol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol, -Ethyl-1,3-hexanediol, 2-n-hexadecane-1,2-ethylene glycol, 2-n-eicosan-1,2-ethylene glycol, 2-n-octacosan-1,2-ethylene glycol, diethylene glycol , Dipropylene glycol,
1,4-cyclohexanedimethanol, or an ethylene oxide or propylene oxide adduct of bisphenol A, hydrogenated bisphenol A, 3-hydroxy-2,2-dimethylpropyl-3-hydroxy-2,
Diols such as 2-dimethylpropionate; triols such as trimethylolpropane and glycerin; monoamines such as ethylamine and aniline; monohydroxymonoamino-type amino alcohols such as monoethanolamine; Ring-opening polymerization of an alkylene oxide containing propylene oxide as a main component using two or more initiators is exemplified. In addition,
(B) may be used alone or in combination of two or more. The preferred (b) in the present invention is that, in consideration of the solubility of the obtained polyisocyanate in a poor solvent, the oxypropylene group in the repeating structural unit is 80 mol%.
That is all. The alkyl alcohol (c) used in the present invention is a compound having 1 to 20 carbon atoms, preferably 3 to 10 carbon atoms. (C) includes methanol, ethanol,
Examples thereof include propanol, butanol, pentanol, hexanol, octanol, and stearyl alcohol. In addition, (c) can be used alone or in combination of two or more. The present invention is characterized in that a zirconium carboxylate (d) is used as the allophanate-forming catalyst. The carboxylic acids include acetic acid, propionic acid,
Saturated aliphatic carboxylic acids such as butyric acid, caproic acid, octylic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid and 2-ethylhexanoic acid; saturated monocyclic carboxylic acids such as cyclohexanecarboxylic acid and cyclopentanecarboxylic acid; bicyclo (4.4.0) saturated bicyclic carboxylic acids such as decane-2-carboxylic acid, mixtures of the above carboxylic acids such as naphthenic acid, oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, soybean oil fatty acids, tall oil fatty acids, etc. Examples thereof include unsaturated aliphatic carboxylic acids, aromatic aliphatic carboxylic acids such as diphenylacetic acid, and aromatic carboxylic acids such as benzoic acid and toluic acid. In the present invention, a zirconium salt of a saturated aliphatic carboxylic acid is preferred. In general, a metal salt of a carboxylic acid can serve as an allophanation catalyst. Examples of the metal include alkali metals such as lithium, sodium, and potassium; alkaline earth metals such as magnesium, calcium, and barium; Examples thereof include transition metals such as manganese, iron, cobalt, nickel, copper, and zinc; boron group metals such as aluminum; carbon group metals such as tin and lead; and titanium group metals such as titanium and zirconium. The present inventors have found that zirconium carboxylate as an allophanate-forming catalyst is less toxic and suppresses side reactions (such as formation of isocyanurate groups leading to higher viscosity and formation of uretdione groups leading to lower durability). It has been found to have performance. Examples of the catalyst poison (e) used in the present invention include inorganic acids such as phosphoric acid and hydrochloric acid, organic acids having a sulfonic acid group, a sulfamic acid group and the like, and known compounds such as esters and acyl halides. No. Next, a specific manufacturing procedure will be described.
The present invention includes the following steps. First step: organic diisocyanate (a) and PPG
The polyol (b) and the alkyl alcohol (c) are charged in an amount such that the isocyanate group becomes excessive with respect to the hydroxyl group, and the urethane is added at 70 to 150 ° C. in the presence of a zirconium carboxylate (d) as an allophanatization catalyst. A step of subjecting the group to an allophanation reaction until substantially no groups are present. Second step: a step of adding a catalyst poison (e) to stop the allophanation reaction. Third step: a step of removing free organic diisocyanate (a) until the content becomes 1% or less. The first step is a step of simultaneously performing a urethanization reaction and an allophanation reaction. Specifically, an organic diisocyanate (a) and a PPG-based polyol (b) and an alkyl alcohol (c) are reacted with an isocyanate. The amount in which the groups are excessive with respect to the hydroxyl groups is
This is a step of simultaneously performing a urethanization reaction and an allophanation reaction at a temperature of about 150 ° C. in the presence of the allophanation catalyst (c). Here, "the amount of isocyanate groups in excess with respect to the hydroxyl groups" means that the isocyanate groups become excessive with respect to the hydroxyl groups when the raw materials are charged. The molar ratio is preferably isocyanate group / hydroxyl group = 8 or more, and particularly preferably 10 to 50. Here, the urethane-forming reaction and the allophanate-forming reaction can be performed separately. However, when a multi-step reaction is performed, the production time becomes longer, and the resulting polyisocyanate may be colored. Therefore, in the present invention,
The one-step reaction, that is, the urethanization reaction and the allophanation reaction were performed simultaneously. In this case, the mass ratio between (b) and (c) is preferably (b) :( c) = 90/10 to 10/90,
Particularly, (b) :( c) = 85/15 to 15/85 is preferable. If the amount of (b) is too large, the solubility of the resulting polyisocyanate in poor solvents tends to decrease. When (c) is too large, the isocyanate content of the resulting polyisocyanate becomes small. The reaction temperature is from 70 to 150 ° C, preferably from 80 to 130 ° C. If the reaction temperature is too low, the reaction time is prolonged, the isocyanurate group in the resulting polyisocyanate increases, and the viscosity tends to be high.
If the reaction temperature is too high, the resulting polyisocyanate tends to be more colored. The reaction time in the first step is usually preferably within 10 hours, particularly preferably within 5 hours. The amount of the allophanate-forming catalyst (d) varies depending on the type thereof, but is preferably 0.0005 to 1% by mass, and more preferably 0.0005 to 1% by mass based on the total amount of the above (a) to (c).
More preferably, it is 1 to 0.1% by mass. The amount of catalyst used is 0.0
When the content is less than 005% by mass, (a) even if the reaction temperature is appropriate, the reaction is slow and requires a long time, the resulting polyisocyanate has a large isocyanurate group content, and tends to have high viscosity. Or (b) In order to obtain an appropriate reaction time, it is necessary to raise the reaction temperature, but allophanate formation does not proceed, and uretdione formation reaction of isocyanate group or isocyanurate formation reaction which is a side reaction progresses. , Easy to have high viscosity. When the amount of the catalyst exceeds 1% by mass, the control of the reaction becomes difficult, and a uretdione-forming reaction or a chemical reaction, which is a side reaction, proceeds, and the viscosity tends to be high. At this time, an organic solvent can be used if necessary. Examples of the organic solvent include aliphatic hydrocarbon-based organic solvents such as n-hexane and octane; alicyclic hydrocarbon-based organic solvents such as cyclohexane and methylcyclohexane; and ketone-based organic solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone. solvent,
Ester organic solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and isobutyl acetate; ethylene glycol ethyl ether acetate; propylene glycol methyl ether acetate; 3-methyl-3-methoxybutyl acetate; ethyl-3-ethoxypropionate; Glycol ether ester organic solvent, diethyl ether,
Ether organic solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, halogenated aliphatic hydrocarbon organic solvents such as methyl chloride, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, methyl bromide, methylene iodide, dichloroethane, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide And polar aprotic solvents such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and hexamethylphosphonylamide. One or more of the solvents can be used. Even when an organic solvent is used, this organic solvent can be used as a free organic diisocyanate (a) in the third step described below.
Will be removed with it. In the second step, after the allophanate-forming reaction, a catalyst poison (e) is added to stop the allophanate-formation reaction. The timing of adding the catalyst poison (e) is not particularly limited as long as it is after the allophanate-forming reaction. However, when performing thin-film distillation in the method of removing free organic diisocyanate in the third step, after the allophanate reaction and before the distillation. It is preferable to add a catalyst poison (d) to the mixture. This is to prevent a side reaction from occurring due to heat at the time of distillation. The amount of the catalyst poison (e) varies depending on the type of the catalyst and the type of the catalyst, but is preferably 0.5 to 2 equivalents of the catalyst, and particularly preferably 0.8 to 1.5 equivalents. If the amount of the catalyst poison is too small, the storage stability of the obtained polyisocyanate tends to decrease. If the amount is too large, the resulting polyisocyanate may be colored. The third step is a step for removing free organic diisocyanate (a). In the present invention, basically, free organic diisocyanate is present in the product after the allophanation reaction. Since this free organic diisocyanate causes turbidity when it changes in odor or changes over time, the free organic diisocyanate content is 1%.
It is preferable to remove the unreacted organic diisocyanate (a) until the amount becomes less than mass%. The free organic diisocyanate content is a value measured by gas chromatography. As a method for removing free organic diisocyanate, known methods such as distillation, reprecipitation, extraction and the like can be mentioned. A distillation method, particularly a thin film distillation method, is preferable because a solvent and the like do not need to be used. Preferred conditions for thin-film distillation include a pressure of 0.1 kPa or less and a temperature of 10 kPa.
0 to 200 ° C., and particularly preferable conditions are pressure: 0.0
5 kPa or less, temperature: 120 to 180 ° C. The allophanate-modified polyisocyanate thus obtained contains substantially no organic solvent, urethane group, uretdione group, or isocyanurate group. In addition, "substantially" means that it hardly affects the obtained polyisocyanate.
The presence of these traces is within the permissible range of the present invention. The viscosity at 25 ° C. of the allophanate-modified polyisocyanate obtained according to the present invention is 2,000 mP
a · s or less, preferably 100 to 1,800 mP
a · s. The isocyanate content is preferably from 5 to 25% by mass, particularly preferably from 8 to 13% by mass. If the isocyanate content is less than 5% by mass, the crosslink density of the coating film may be low. If it exceeds 25% by mass,
Solubility in poor solvents may decrease. The allophanate-modified polyisocyanate obtained according to the present invention is soluble in poor solvents,
Specifically, polyisocyanate / poor solvent = 50/1 to 1
/ 50 (mass ratio) within the range of no separation or turbidity. In addition, a poor solvent means an aniline point of 10 containing an aliphatic, alicyclic and / or aromatic hydrocarbon-based organic solvent.
70 ° C, preferably 12-65 ° C, more preferably 15 ° C
It is an organic solvent having a weak dissolving power in the range of 60C to 60C. Examples of such organic solvents include methylcyclohexane (aniline point 40 ° C.), ethylcyclohexane (aniline point 44 ° C.), mineral spirit (aniline point 56 ° C.).
C.), turpentine (aniline point: 20 ° C.), etc., and a house generally commercially available as a petroleum hydrocarbon (manufactured by Shell Chemical Co., aniline point: 15 ° C.); Essonafusa No. 6
(Exxon Chemical, aniline point 43 ° C), Loose (Shell Chemical, aniline point 44 ° C), Pegazol 3040
(Manufactured by Mobil Oil, aniline point 55 ° C.). The allophanate-modified polyisocyanate obtained according to the present invention may contain, if necessary, an antioxidant, an ultraviolet absorber, a pigment, a dye, a solvent, a flame retardant, a hydrolysis inhibitor, a lubricant, a plasticizer, Additives such as a filler and a storage stabilizer can be appropriately compounded. The allophanate-modified polyisocyanate obtained according to the present invention is most suitable as a curing agent for two-pack polyurethane coatings. The base agent is a polyol used in the field of two-pack polyurethane coatings, for example, aliphatic hydrocarbon polyols, fluorine polyols, polyether polyols, polyester polyols, polycarbonate polyols, epoxy resins, acrylic polyols, And alkyd polyols and the like, or a mixture thereof. In particular, fluorine polyols and acrylic polyols are more preferable because of their excellent weather resistance. These polyols are produced by known techniques such as solution polymerization and condensation reaction. It is a polyol having two or more hydroxyl groups in one molecule. Even if the main component is of a type that does not dissolve in the poor solvent, it can be used in combination with the polyisocyanate of the present invention, but those that dissolve in the poor solvent can exhibit the performance of the polyisocyanate of the present invention. . The polyol for the base agent is from 1 to 300 mgKOH / g, preferably from 10 to
150mgKOH / g, more preferably 20-100m
Those having a hydroxyl value of gKOH are preferred. Hydroxyl value is 1
When the amount is less than mgKOH / g, the coating film becomes brittle, which is not preferable. When the hydroxyl value exceeds 300 mgKOH / g, the surface smoothness of the coating film may be impaired, or the coating film may be hard and brittle, which is not preferable. The base polyol and polyisocyanate
The equivalent ratio of isocyanate group to hydroxyl group is as follows: isocyanate group / hydroxyl group = 9/1 to 1/9, preferably 8/2 to 2 /
8 If the hydroxyl group is in excess of the above range, the coating film may become brittle. When the amount of the isocyanate group is excessive, the coating film may become brittle because a large amount of the polyisocyanate which does not participate in the crosslinking is present. EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto. In Examples and Comparative Examples, “%” was used.
Means “% by mass”. [Production of Allophanate-Modified Polyisocyanate] Example 1 In a 1 L reactor equipped with a stirrer, a thermometer, a cooler, and a nitrogen gas inlet tube, 810 g of hexamethylene diisocyanate, 155 g of polyol-1 and i 35 g of -propanol and 0.2 g of zirconium 2-ethylhexanoate were charged and reacted at 90 ° C for 3 hours. When the reaction product was analyzed by FT-IR and 13 C-NMR, the urethane group had disappeared. 0.1 g of phosphoric acid
A stop reaction was carried out at 50 ° C. for 1 hour. The isocyanate content of the product was 34.3%. This reaction product was subjected to thin-film distillation at 130 ° C. and 0.04 kPa to obtain an allophanate group-containing polyisocyanate P-1. The yield was 42%. The isocyanate content of P-1 is 12.5%, the viscosity at 25 ° C. is 450 mPa · s,
The free HDI content was 0.2%. Also, P-1
Was analyzed by FT-IR and 13 C-NMR, the presence of a urethane group was not recognized, the presence of an allophanate group was confirmed, and the uretdione group and the isocyanurate group were traced. The average number of functional groups was 2.3. The average number of functional groups was calculated from the isocyanate content and the number average molecular weight. Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 Allophanate-modified polyisocyanates P-2 to 8 were obtained using the raw materials shown in Table 1 by the same apparatus and procedure as in Example 1. [Table 1] In Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 4, and Table 1. [Evaluation of Paint Polyisocyanate] Applied Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 Poor Solvent Dilution Test The obtained polyisocyanate was diluted with Solvent A (poor solvent manufactured by Nisseki Mitsubishi). The tolerance was measured. Table 2 shows the results. [Table 2] Applied Examples 5-8, Applied Comparative Examples 5-7 Volatile oil resistance (compatibility with resin for base resin) Polyisocyanate obtained, Acridic A-82
3 (acrylic polyol solution, solid content = 50%, hydroxyl value = 30 mg KOH / g, manufactured by Dainippon Ink and Chemicals),
Solvent A was mixed with the composition shown in Table 3 and the solid content was 5
A 0% clear paint was prepared. Then, the prepared coating material was applied on a steel plate, and allowed to stand at 20 ° C. and 65% RH for one week to obtain a test piece having a dry film thickness of 30 to 40 μm. The obtained test piece was subjected to solvent A at 25 ° C.
For 4 hours, and then the appearance was confirmed. Table 3 shows the results
Shown in In addition, P-8 is insoluble in the solvent A (less than 0.5 times) in the result of the poor solvent dilution test described above.
Was not evaluated. [Table 3] As can be seen from Tables 2 and 3, the polyisocyanates of the examples had good solubility in poor solvents and good resistance to volatile oils, whereas the polyisocyanates of comparative examples had good solubility in poor solvents.
None of them had good volatile oil resistance. As described above, the polyisocyanate obtained by the present invention was low in viscosity, soluble in poor solvents, and had a sufficient isocyanate content.
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Claims (1)
ジオン基、イソシアヌレート基を含有せず、25℃にお
ける粘度が2,000mPa・s以下、イソシアネート
含量が5〜25質量%であるアロファネート変性ポリイ
ソシアネートを、以下の工程にて行うことを特徴とする
製造方法。 第一工程:有機ジイソシアネート(a)、並びに公称官
能基数1〜3、数平均分子量500〜3,000のポリ
プロピレングリコール系ポリエーテルポリオール
(b)、及び炭素数1〜20のアルキルアルコール
(c)とを、イソシアネート基が水酸基に対して過剰と
なる量を仕込み、70〜150℃にてアロファネート化
触媒としてカルボン酸ジルコニウム塩(d)の存在下で
ウレタン基が実質的に存在しなくなるまでアロファネー
ト化反応させる工程。 第二工程:触媒毒(e)を添加して、アロファネート化
反応を停止する工程。 第三工程:遊離の有機ジイソシアネート(a)を含有量
が1%以下になるまで除去する工程。Claims 1. An organic solvent, containing substantially no urethane group, uretdione group, or isocyanurate group, having a viscosity at 25 ° C of 2,000 mPa · s or less and an isocyanate content of 5 to 25 mass%. % Of an allophanate-modified polyisocyanate in the following steps. First step: an organic diisocyanate (a), a polypropylene glycol-based polyether polyol (b) having a nominal number of functional groups of 1 to 3 and a number average molecular weight of 500 to 3,000, and an alkyl alcohol (c) having 1 to 20 carbon atoms. Is added in such an amount that the isocyanate groups become excessive with respect to the hydroxyl groups, and the allophanate-forming reaction is carried out at 70 to 150 ° C. in the presence of the zirconium carboxylate (d) as a catalyst for the allophanate until the urethane group substantially disappears. Process to make it. Second step: a step of adding a catalyst poison (e) to stop the allophanation reaction. Third step: a step of removing free organic diisocyanate (a) until the content becomes 1% or less.
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