JP2004521970A - イソシアネート末端プレポリマーに基づく木材用接着剤 - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、イソシアネート基を末端基とするプレポリマーの木材用接着剤としての使用に関する。
【0002】
(背景技術)
フェノール−ホルムアルデヒド縮合物、レゾルシノール−ホルムアルデヒド縮合物またはメラミン−ホルムアルデヒド縮合物に基づく接着剤は知られており、この種の接着剤は木材、特に高荷重で長寿命の木材製構造体の接着結合に使用されている(例えば、ヨーロッパ特許公報EP−A−0879270号参照)。水性硬化剤混合物とメラミン樹脂との反応は重縮合反応であり、該反応においては、ポリマーの生成に伴って水が放出される。従って、この反応を再現性よく進行させるためには、木材に対して、その水分含有量に関する厳しい条件を満たすことが要求される。
【0003】
高負荷の木材製構造体(例えば、耐力構造部材)の場合には、例えば、該構造部材の機械的強度に関しては、厳格な要求を満たすことが強制される。例えば、結合強度は、天候の影響に多年にわたってさらされた後でも十分に高くなければならない。
【0004】
接着剤の一般的な使用特性は、例えば、標準規格、例えばDIN EN204の耐久性クラスD4またはWATT 91(木材用接着剤の温度試験)に従って決定される。
【0005】
1成分系および2成分系のポリウレタン接着剤を用いる木材の接着は古くから知られており、例えば、次の雑誌に記載されている:「接着剤−接着と封止」、41、1−2/97、第37〜38頁(1997年)。1成分系接着剤は木材製基体に対して特に適している。この理由は、木材の天然の水分含有量が、反応成分としての水の十分な利用を保証するからである。このため、含水量の厳格な監視は不要となり、また、完全な反応を保証するために通常おこなわれている多くの水不透過性基体表面への水ミストの噴霧は不要となる。
【0006】
しかしながら、1成分系接着剤または2成分系接着剤のいずれを用いる場合にも不利な点が判明した。即ち、低粘性ポリイソシアネートを使用すると、該成分は、加圧操作中において木材の内部へ移動する。これによって、接着剤と木材との間に良好な結合がもたらされるが、ポリマーの形成によって重要なNCO/OH比が調整範囲外へ変化することに伴って該成分が過度に移動し、その結果、接合部における接着剤中のポリイソシアネートの含有量が激減し、極端な場合には、不正確な結合がもたらされることになる。
【0007】
接合部中の接着剤を十分な濃度に維持するためには、粘性のより高い系を用いることが可能であるが、このような高粘性系は塗布操作に付随する問題をもたらす。別の方策は、フィラーを添加する方法である。適当なフィラーとしては有機フィラーが例示される。鉱物フィラーは非常に適したものではない。この理由は、鉱物フィラーは容易に沈降する傾向があり、また、機械的搬送の場合、鉱物フィラーは複雑なポンプや計量システムにおける摩耗度を増大させる。
【0008】
有機フィラーとしては、例えば、木粉、セルロース繊維およびポリマー繊維等を使用することが可能である。短い微小繊維形態のポリマー繊維はチキソトロープ添加剤としても作用する。特に適当なフィラーは、ヒドロキシル基を有するポリエーテル中においてその場で調製されるポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドの分散液であり、この種の分散液は、圧縮強度が強化されたポリウレタンフォームの製造に広く使用されている(例えば、独国特許公報DE−A−2513815号参照)。
【0009】
優れた凝集強さを示す可撓性接着結合を得るためには、例えば、有機ポリイソシアネートおよび有機ヒドロキシル化合物中のポリマー分散液に基づく1成分系または2成分系のポリウレタン接着剤が使用されている(DE−A−2719720参照)。
【0010】
接着された木材製構造体の本質的な欠点は、接着剤が湿気の影響を受けやすく、これによって接着剤フィルムの弱化がもたらされることである。このため、接着された木材製構造体の湿潤条件下での常設的使用が制限されている。この結果、乾燥状態においては、木材の実質的な接着面破損がもたらされ、一方、長時間の貯水過程および/または煮沸試験においては凝集破損がもたらされる。
【0011】
(発明の開示)
(発明が解決しようとする技術的課題)
従って、本発明の目的は、改良された耐水性を発揮する1成分系の木材用接着剤、特に、イソシアネート末端プレポリマーに基づく耐力成分を接着結合するための木材用接着剤を提供することである。
【0012】
驚くべきことには、重付加物、例えば、トリレンジイソシアネートとヒドラジン水和物の重付加物(ポリヒドラゾジカルボキサミド)に基づくフィラーが、木材の湿潤強度の増大に寄与することが判明した。何故ならば、ヒドラゾジカルボキサミド構造は、水素結合の形成に対して適しているので、この種のポリマーの使用に対しては、一定の親水性とより低い湿潤強度の誘発が期待されたからである。
【0013】
(その解決方法)
即ち本発明は、下記の成分(a)〜(c)を含有し、イソシアネート含有量が8〜20重量%であるイソシアネート末端プレポリマーに基づく接着剤の木材基体を接着結合させるための使用に関する:
(a)少なくとも1種の有機ポリイソシアネート、
(b)(i)有機ポリイソシアネートと(ii)第一および/または第二アミノ基含有ポリアミンおよび/またはヒドラジンおよび/またはヒドラジドとの反応生成物を、(iii)少なくとも2個のヒドロキシル基を有するポリエーテル(分子量:500〜12000)中に含有する分散液形態の少なくとも1種の有機ポリヒドロキシル化合物、および
(c)所望による助剤および添加剤。
【0014】
(発明を実施するための最良の形態)
イソシアネート末端プレポリマーの好ましいNCO含有量は10〜18重量%である。
【0015】
本発明において使用する反応生成物(b)はポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドであり、これらの含有量はイソシアネート末端プレポリマー中において2重量%未満にはならず、好ましくは5重量%未満にはならない。該反応生成物の含有量は、NCOプレポリマーの全重量に基づいて2〜25重量%、好ましくは5〜15重量%である。
【0016】
分散される重付加物を調製するのに適したジイソシアネート(i)としては、ヘキサメチレンジイソシアネート、2,4−ジイソシアナトトルエン、2,6−ジイソシアナトトルエン、これらの異性体混合物、3,3,5−トリメチル−5−イソシアナトメチルシクロヘキシルイソシアネートおよび4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートが例示され、適当な場合には、2,4’−MDIおよびその高位のオリゴマーとの混合物として使用してもよい。好ましくは、2,4−ジイソシアナトトルエンと2,6−ジイソシアナトトルエンとの80:20の混合物である。
【0017】
イソシアネート基に対して反応性を有する基を有する適当な合成成分(ii)としては、次の化合物が例示される:2および/またはそれよりも大きい官能度を有する第一および/または第二の脂肪族アミン、芳香族−脂肪族(araliphatic)アミン、脂環式アミン並びに芳香族アミン、例えば、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、トリメチルジアミノヘキサン、N,N’−ジメチレンエチレンジアミン、エチレンジアミンの高位の同族体(例えばジエチレントリアミン)、プロピレンジアミンの同族体(例えばジプロピレントリアミン)、ピペラジン、トリアジン、4−アミノベンジルアミン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルプロパン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、フェニレンジアミン、アニリンとホルムアルデヒドとの縮合物、トリレンジアミンおよびビスアミノメチルベンゼン。同様に、ヒドラジンも適当な成分であり、また、モノ置換もしくはN,N’−ジ置換ヒドラジン、およびヒドラジド、例えば、二塩基性もしくは多塩基性カルボン酸のヒドラジドも適当である。ヒドラジン水和物が好ましい。
【0018】
少なくとも2個のヒドロキシル基を有する適当なポリエーテル(iii)には、プロピレンオキシドおよび/またはエチレンオキシドと2官能性および3官能性開始剤もしくはその混合物(例えば、水、1,2−プロピレングリコール、トリメチロールプロパン、グリセロール、ペンタエリスリトールもしくはその他のポリヒドロキシル化合物)との重付加物、例えば、テトラヒドロフランに基づくポリエーテルポリオール(ポリテトラメチレンエーテルグリコール)およびヒドロキシル基を有する天然油(例えばカスター油)が含まれる。もちろん、この種のポリヒドロキシル化合物のいずれかの所望の混合物を使用することも可能である。
【0019】
ヒドロキシル含有ポリエーテル中にポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドを含む分散液(b)中の固形分の含有量は5〜40重量%、好ましくは10〜25重量%である。
【0020】
ヒドロキシル含有ポリエーテル中に分散物として導入される微細な沈降安定性のポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドの粒子は0.01〜10μm、好ましくは0.01〜1μmのサイズを有する。この種のフィラー含有ポリオール(固形分含有量:20重量%)の25℃における粘度は10000mPa・s未満、好ましくは3000mPa・s未満である。
【0021】
本発明による使用の1つの態様においては、使用する分散液(b)は下記の成分の反応生成物を含有する:
(イ)2,4−ジイソシアナトトルエンと2,6−ジイソシアナトトルエンとの混合物(混合比;80:20)(i)16.9重量部、
(ロ)ポリプロピレンエーテルポリオール[官能度;>2、エトキシエチレン基の含有量;0〜30重量%(好ましくは5〜20重量%)、ヒドロキシル価;20〜56mgKOH/g(好ましくは30〜40mgKOH/g)](iii)80重量部中のヒドラジン水和物(ii)4.85重量部。
【0022】
本発明において使用するフィラー含有ポリプロピレンエーテルポリオールは、例えば、バイエルAG社(レヴァークーセン)から「バイコル(Baycoll)BT5028」の商品名で市販されている。
【0023】
イソシアネート末端プレポリマーを合成するのに適当なポリイソシアネートは脂肪族、脂環式、芳香族および複素環式ポリイソシアネートであり、この種の化合物は、例えば、次の文献に記載されているように、ポリウレタン化学の分野においては公知である:W.ジーフゲン、「ジュスツス・リービッヒス・アナーレン・デア・ヘミー」、第562巻、第75〜136頁。別の適当なポリイソシアネートは、例えばイソシアヌレート基、ビウレット基、ウレトジオン基またはカルボジイミド基を有するポリイソシアネートである。この種のポリイソシアネートは高い官能度、例えば3よりも高い官能度を有する。
【0024】
好ましいジイソシアネートは2,4−および/または2,6−ジイソシアナトトルエン並びに2,4’−および/または4,4’−ジイソシアナトジフェニルメタンまたはアニリン/ホルムアルデヒド縮合物をホスゲン化として得られるポリイソシアネートであり、該ポリイソシアネートはポリマー性MDI(P−MDI)として知られており、モノマー性2,2’−および2,4’−および4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートとより高位のオリゴマー(ポリジフェニルメタンポリイソシアネート)との混合物を構成する。モノマー性ジフェニルメタンジイソシアネートとP−MDIとの混合物を使用することも可能である。
【0025】
NCOプレポリマーを調製するためには、ポリマー分散液を有機ポリイソシアネートと反応させ、該反応物を、湿気の影響下で硬化する接着剤として加工処理する。
【0026】
NCOプレポリマーの調製に際しては、各々のイソシアネート−反応性基に対して3〜30個、好ましくは5〜20個のイソシアネート基が存在する。最終のNCOプレポリマー中のポリオール成分(b)の含有量は20〜75重量%、好ましくは30〜60重量%である。ポリイソシアネート成分(a)の含有量は80〜25重量%、好ましくは70〜40重量%である。
【0027】
プレポリマーを調製するためには、一般に、過剰のポリイソシアネート(a)を反応器(50〜70℃)内へ仕込み、次いでポリオール成分(b)を添加するが、この添加速度は、反応器の温度が80℃を越えないように調整される。原則的には、ポリイソシアネート(a)とポリオール(b)をミキサー(例えば、静的ミキサー、動的ミキサーまたは高圧ノズル)を用いて相互に強く混合させながら両成分を反応させることも可能である。
【0028】
好ましいプレポリマーは、2官能性2,4’−MDI 0〜60重量%(好ましくは5〜40重量%)および2よりも高い官能度を有するより高位のオリゴマー0〜50重量%(好ましくは0〜40重量%)含有する有機ポリイソシアネート(a)を用いて得られる。2,4’−MDIフラクションは、特にプレポリマーの貯蔵安定性の増大に寄与する。
【0029】
原則的には、本発明による使用のためのNCOプレポリマーを調製するに際しては、(I)オリゴマーフラクション(P−MDI)を20〜60重量%含む2,4’−MDI含有有機ポリイソシアネート(a)を直接使用してもよく、あるいは、(II)2,4’−MDIを40〜60重量%含有する純粋なジイソシアネートとの反応を、NCO含有量が8〜11重量%になるまでおこない、次いで、オリゴマーフラクションの含有量が70重量%までのP−MDIを添加し、混合物中のNCO含有量が14〜18重量%になるように調整してもよい。
【0030】
(II)によって調製されるプレポリマーは、(I)によって調製されるポリマーに比べて低い粘度を有する。
【0031】
この方法によって調製されるNCOプレポリマーの25℃における粘度は20000mPa・s未満、好ましくは10000mPa・s未満である。
【0032】
さらに、例えば、アミンを開始剤として調製されるポリプロピレン/エチレンエーテルグリコールを成分(b)中に20重量部まで含有するものを付加的に使用するのが有利である。何故ならば、該グリコール類は大気中の湿気によって加速される反応をプレポリマーにもたらすからである。この場合、エチレンジアミンまたはアンモニアを開始剤として調製されるポリプロピレンエーテルポリオール(OH価:40〜200mgKOH/g)が特に例示される。もちろん、大気中の湿気によるこの種の促進反応は、ポリウレタン化学において一般的な常套の触媒を用いることによっても達成される。この種の触媒としては、第三アミン(例えば、ジアザビシクロオクタン、ジモルホリノジエチルエーテル等)または金属触媒(例えば、ジブチル錫ジラウレート等)が挙げられ、このような触媒の使用量はプレポリマーに基づいて0.005〜0.5重量%である。
【0033】
プレポリマーは常套の添加剤、例えば増粘剤、例えば表面を疎水化処理したエーロジル(Aerosil)、短繊維、例えばチキソトロピーを付与するためのケブラー(Kevlar)パルプまたは類似の微小繊維等を含有していてもよい。本発明において使用する接着剤には、適当な場合には、該接着剤を改質するために、さらに別の添加剤(例えば、天然樹脂、合成樹脂、顔料または老化防止剤等)を添加してもよい。
【0034】
本発明において使用する接着剤は、20℃の水中で数日間貯蔵しても、十分な被着材破壊(adhered failure)を示すという点で注目すべきである。従って、該接着剤は高荷重コンポーネント、例えば、耐力木材構造物に対して特に適している。
【0035】
実施例
(プレポリマーの調製)
ポリイソシアネートを反応器内へ70℃で導入し、次いで、脱水処理したポリオール(含水量<0.05%)を、系の温度が60〜80℃になるような添加速度で添加した。
【0036】
一定のNCO値が得られたときに、プレポリマーが約30〜60分間のフィルム乾燥時間を示すように、適当な場合にはジブチル錫ジラウレートを添加することによってその性状を調整した。
【0037】
この場合、フィルム乾燥時間は、ミクル・ラボラトリー・エンジニアリング社(Mickle Laboratory Engineering Co., Ltd.)製のBK乾燥記録計(10型)を用いて測定した。測定条件は次の通りである:
温度:23℃
湿度:50%
接着剤フィルム:100mm
接着剤量:10g
【0038】
(ポリオール)
ポリオールI
「バイコルBT5028」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:独国特許公報DE−A−2513815に記載の方法に従って得られたポリプロピレンエーテルポリオール(OH価:28.6mgKOH/g)。このポリエーテルポリオールは、トリレンジイソシアネートとヒドラジン水和物との反応生成物を20重量%含有する。この場合、該反応生成物は、3官能性ポリエーテル(OH価:35)中に微細な沈降安定性分散液の形態で存在する。
【0039】
ポリオールII
「バイコルBT5035」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:約20重量%のグリセロールエチレンオキシドを用いて反応を開始させて得られたポリプロピレンエーテルグリコール(OH価:35mgKOH/g)。
ポリオールIII
「バイコルBD2060」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:ポリプロピレンエーテルグリコール(OH価:56mgKOH/g)。
【0040】
ポリオールIV
「バイコルBD1110」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:ポリプロピレンエーテルグリコール(OH価:112mgKOH/g)。
ポリオールV
「バイコルET3059」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:アミンを開始剤として得られたポリプロピレンエーテルグリコール(OH価:56mgKOH/g)。
【0041】
ポリオールVI
「アルコル(Arcoll)1096」[ライオンデル社(USA)製]:ポリプロピレンエーテルグリコール(OH価:28mgKOH/g)。該ポリオールは、3官能性ポリエーテル中に微細な沈降安定性分散液の形態でスチレン−アクリロニトリルポリマーを40重量%含有する。
ポリオールVII
「テラサン(Terathane)2000」[デュポン社(ヨーロッパ)製]:ポリテトラメチレンエーテルグリコール(OH価:112mgKOH/g)。
【0042】
(ポリイソシアネート)
イソ−I
「デスモデュール(Desmodur)VP KA8616」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:2,4’−MDI 54重量%と4,4’−MDI 46重量%との混合物。
イソ−II
「デスモデュールVKS20F」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:NCO含有量が31.6%で、ポリマーフラクションを50重量%含有するポリマー性MDI。
【0043】。
イソ−III
「デスモデュールVK5」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:NCO含有量および2,4’−MDI含有量がぞれぞれ32.6%および45%であって、ポリマーフラクションを10重量%含有するポリマー性MDI。
イソ−IV
「デスモデュールVK10」[バイエル社(レーヴァークーセン)製]:NCO含有量および2,4’−MDI含有量がぞれぞれ31.5%および17%であって、ポリマーフラクションを38重量%含有するポリマー性MDI。
【0044】
<実施例1>(本発明)
ポリオールI 589gとイソ−IV 611gからNCOプレポリマー(NCO含有量:14.67%、粘度:6500mPa・s/23℃)を得た。
ジブチル錫ジラウレート0.01重量%用いて得られたフィルム乾燥時間[FDT(film dry time)]は45分間であった。
【0045】
<実施例2>(比較)
ポリオールII 292g、ポリオールVI 291gおよびイソ−IV 617gからNCOプレポリマー(NCO含有量:15.16%、粘度:7600mPa・s/23℃)を得た。
ジブチル錫ジラウレート0.01重量%用いて得られたフィルム乾燥時間(FDT)は37分間であった。
【0046】
<実施例3>(比較)
ポリオールIII 152g、ポリオールV 280g、イソ−II 400gおよびイソ−III 170gからNCOプレポリマー(NCO含有量:16.10%、粘度:5600mPa・s/23℃)を得た。
フィルム乾燥時間(FDT)は56分間であった。
【0047】
<実施例4>(比較)
ポリオールIV 222g、ポリオールV 222g、およびイソ−I 556gからNCOプレポリマー(NCO含有量:15.60%、粘度:1950mPa・s/23℃)を得た。
フィルム乾燥時間(FDT)は58分間であった。
【0048】
<実施例5>(比較)
ポリオールIII 490g、イソ−II 357gおよびイソ−III 170gからNCOプレポリマー(NCO含有量:13.40%、粘度:6500mPa・s/23℃)を得た。
次いで、トシルイソシアネート0.2%およびジブチル錫ジラウレート0.25%を添加することによって43分間のフィルム乾燥時間(FDT)を得た。
【0049】
<実施例6>(比較例)
ポリオールVII 371g、トリメチロールプロパン15g、イソ−I 614gおよびイソ−II 170gからNCOプレポリマー(NCO含有量:16.10%、粘度:3100mPa・s/23℃)を得た。
次いで、DBTL(ジブチル錫ジラウレート)0.015%を加えることによって、42分間のフィルム乾燥時間(FDT)を得た。
【0050】
(木材接合)
DIN EN 204による耐久性クラスD4およびワット(WATT)91テストを実施するために、インスティテュート・ヒュア・フェンスターテヒニークe.V.から接着剤を入手した。
各々の場合、標準規格に従って20個のテスト試料を作成して試験に供した。得られた結果を以下の表1に示す。
【0051】
【表1】
【0052】
表1における「貯蔵1」等の用語の意義は下記の通りである。
「貯蔵1」:標準条件下[温度:20℃、相対大気湿度(RAH):65%]で7日間貯蔵。
「貯蔵3」:標準条件下で7日間貯蔵した後、冷水(20℃)中で4日間貯蔵。
「貯蔵5」:標準条件下で7日間貯蔵した後、沸騰水中で6時間貯蔵し、次いで冷水中で2時間貯蔵。
「貯蔵6」:標準条件下で7日間貯蔵した後、沸騰水中で6時間貯蔵し、次いで冷水中で2時間貯蔵し、さらに標準条件下で7日間貯蔵。
「WATT91」:80℃における1時間の貯蔵および熱間亀裂。
「N/mm2」:引張剪断テスト(前進速度:50mm/分)における接着強さ。
「ADF」:接着領域における被着材破壊(%)。
【0053】
表1から次のことが明かである。即ち、全てのプレポリマーがDIN EN 204による耐久性D4の基準を満たすが、水中に長時間貯蔵する場合(貯蔵3)には、本発明によるNCOプレポリマーのみがなお相当な被着材破壊を示す。
さらに、本発明によるプレポリマーは、非常に良好な性能によって耐熱テスト(WATT91)に合格する。
Claims (7)
- 下記の成分(a)〜(c)を含有し、イソシアネート含有量が8〜20重量%であるイソシアネート末端プレポリマーに基づく接着剤の木材基体を接着結合させるための使用:
(a)少なくとも1種の有機ポリイソシアネート、
(b)(i)有機ポリイソシアネートと(ii)第一および/または第二アミノ基含有ポリアミンおよび/またはヒドラジンおよび/またはヒドラジドとの反応生成物を、(iii)少なくとも2個のヒドロキシル基を有するポリエーテル(分子量:500〜12000)中に含有する分散液形態の少なくとも1種の有機ポリヒドロキシル化合物、および
(c)所望による助剤および添加剤。 - 分散液(b)中に存在する反応生成物がポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドであり、これらの含有量が、イソシアネート末端プレポリマーの全量に基づいて2〜25重量%である請求項1記載の使用。
- ポリ尿素および/またはポリヒドラゾジカルボキサミドの粒子が0.01〜10μmのサイズを有する請求項1記載の使用。
- 分散液(b)が5〜40重量%の固形分を含有する請求項1記載の使用。
- 分散液(b)が、2,4−ジイソシアナトトルエンと2,6−ジイソシアナトトルエンとの80:20の混合物(i)16.9重量部とヒドラジン水和物(ii)4.85重量部との反応生成物を、2よりも高い官能度を有するポリプロピレンエーテルポリオール(iii)80重量部中に含有する請求項1記載の使用。
- ポリプロピレンエーテルポリオール(iii)がエトキシエチレン基を0〜30重量%含有し、20〜56mgKOH/gのヒドロキシル価を有する請求項1記載の使用。
- 二官能性2,4’−MDIフラクション0〜60重量%および2よりも高い官能度を有する高オリゴマーフラクション0〜50重量%含有するアニリン/ホルムアルデヒド縮合物をホスゲン化することによって得られる有機ポリイソシアネート(a)を用いる請求項1記載の使用。
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