JP2005502748A - 残留イソシアネートの減少方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーを含む組成物中の残留ポリイソシアネート単量体を減少させるための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
イソシアネート基を有するポリウレタンプレポリマーは、非常に様々なポリウレタン製品を製造するために、工業に一般的に使用される。こうしたプレポリマーは通常、ポリオールを過剰量のポリイソシアネート単量体、例えばジイソシアネートと反応させることによって調製される。工業的に広く使用されるジイソシアネートの1つは、トリレンジイソシアネート(TDI)である。TDIベースのプレポリマーは、他のジイソシアネートを用いて形成されるプレポリマーに比べて、低い粘度を示すので、特に望ましい。
【0003】
こうしたポリウレタンプレポリマー、特にこれらのTDIベースのプレポリマーを形成するためのプロセスに伴う欠点は、未反応のTDIに関する。例えば、比較的大量(2〜3重量%)の未反応のTDIがしばしば存在し、その高い蒸気圧が、産業衛生上の問題を引き起こす可能性がある。
【0004】
種々のイソシアネートプレポリマーに混入する未反応のポリイソシアネートの量を減少させるために開発されている方法には、流下膜式蒸発、薄膜蒸発(wiped film evaporation)、蒸留、種々の溶媒またはモレキュラーシーブを使用する抽出、あるいはベンジルアルコールなどの反応性の高い有機試薬を用いる反応がある。しかし、これらの方法の大部分は、高温、減圧、および/または多段階ステップを必要とする。
【0005】
米国特許第4,061,662号は、イソシアネートプレポリマーをモレキュラーシーブと接触させることによって、イソシアネートプレポリマーから未反応のTDIを除去するためのプロセスを開示している。追加の処理ステップでは、所望のプレポリマーを得るために追加の時間が必要であり、プレポリマーのコストは増大する。
【0006】
米国特許第3,248,372号、同第3,384,624号、および同第3,883,577号は、抽出技術によって、プレポリマーから遊離のイソシアネートモノマーを除去することに関するプロセスを記載している。こうしたプロセスには、多段階ステップが必要とされる。
【0007】
米国特許第4,385,171号によれば、イソシアネートプレポリマーを蒸留して未反応のジイソシアネートを除去することも可能である。しかし、追加物(chaser)として、そのプレポリマーと不十分に混和し、かつ除去されるべきジイソシアネートよりも沸点が高い化合物を使用する必要がある。
【0008】
米国特許第3,183,112号、同第4,683,279号、同第5,051,152号、および同第5,202,001号は、流下膜式蒸発および/または薄膜蒸発を記載している。米国特許第5,502,001号では、〜100℃のプレポリマーを、不活性な気体、特に窒素を加えながら、薄膜蒸発装置に通過させ、TDIを取り除くための蒸留プロセスに送ることによって、残留TDI含有量を0.1重量%未満に減少させることが可能である。
【0009】
イソシアネート化合物は、ヒドロキシ基やアミノ基などの活性な水素原子を含む有機化合物と反応することが知られている。米国特許第3,384,624号は、過剰量の2,4−TDI単量体を除去するための適切な有機化合物としてのベンジルアルコールを開示している。このプロセスは、高温(70℃より高温を少なくとも1時間)を必要とし、通常工業グレードのTDIの成分である2,6−TDIの除去には適さない。
【0010】
米国特許第3,627,722号、同第3,632,557号、および同第4,374,237号は、イソシアネートプレポリマーをアミノシランと反応させることによって調製されたシラン含有イソシアネート−ポリウレタンポリマーを開示している。ここでは残留イソシアネート単量体化合物は報告されなかった。この方法は、アルコキシシラン基から追加の架橋部位を導入するために使用された。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、イソシアネート基を有するポリウレタンプレポリマーから、未反応のポリイソシアネート、例えばトリレンジイソシアネート(TDI)の量を減少させる方法を提供する。
【0012】
本発明は、イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーを含む組成物中のポリイソシアネート単量体の量を減少させるための方法であって、この組成物を、アリールアルキルアルコールおよび1つの第二級アミノ基を有するアルコキシシランを含む消去剤(quenching agent)と反応させることを含む方法を提供する。
【0013】
驚くべきことに、本発明の方法の実施においては、概して高温を使用する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーを形成するために、過剰量のポリイソシアネート単量体を、活性水素基を有するポリマー、例えば末端水酸基を有するポリオールなどと反応させる場合、かなりの量の有毒な未反応のポリイソシアネートが残る可能性がある。本発明の方法は、未反応のポリイソシアネート単量体の量を最小限にし、それによって毒性リスクを減少させる。
【0015】
イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーは、アミノ基、アルコール基、またはチオール基、あるいはそれほど好ましくはないがカルボキシル基など、イソシアネート基と反応性がある基を有するポリマーを、過剰量のポリイソシアネートと反応させることによって得ることができる。例えば、イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーは、ポリイソシアネート単量体を、約5:1から約1.05:1、好ましくは約2.0:1から2.5:1のNCO/OH当量比で、ポリオキシエチレン−プロピレンポリオール共重合体と反応させることによって調製することができる。イソシアネート末端プレポリマーの調製は、例えば、米国特許第4,315,703号および同第4,476,276号、ならびにこれらの特許で挙げられた参考文献に開示されている。
【0016】
イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーを調製するために使用できるポリイソシアネート単量体には、脂肪族および芳香族ポリイソシアネートが含まれる。好ましいポリイソシアネートは、芳香族ポリイソシアネートである。使用できる最も有用なポリイソシアネート化合物の1つは、特にトリレン−2,4−イソシアネート80重量パーセントとトリレン−2,6−イソシアネート20重量パーセントのブレンドとしてのトリレンジイソシアネートである。2,4−異性体と2,6−異性体の65:35ブレンドも、特に有用である。これらのポリイソシアネートは、「ハイレーン(Hylene)」という商品名で、またナコネート(NacconateTM)80として、またモンドール(MondurTM)RD−80として市販されている。トリレンジイソシアネートはまた、例えばメチレンジイソシアネートなどの他のポリイソシアネート単量体との混合物として使用することもできる。使用できる他のポリイソシアネート化合物は、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレン−1,6−ジイソシアネート、ジフェニル−メタン−4,4’−ジイソシアネート、m−またはp−フェニレンジイソシアネート、および1,5−ナフタレンジイソシアネートの他の異性体である。「モンドール(Mondur)」MRSおよび「パピ(PAPI)」という商品名で販売されているものなど、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネートなどのポリイソシアネート重合体も使用することができる。市販されている有用なポリイソシアネートのリストは、カーク・オスマー化学大辞典(Encyclopedia of Chemical Technology by Kirk and Othmer)、第2版、第12巻、46、47頁、インターサイエンス出版(Interscience Pub.)(1967年)に見出される。
【0017】
本明細書では、本発明を、ポリイソシアネート単量体としてのTDIに関して述べる。しかし、TDIは、例示のためだけに、一例として言及されているに過ぎず、本発明は、所定量の他のポリイソシアネート単量体の消去にも適用できることを理解するべきである。
【0018】
TDI単量体と反応するアリールアルキルアルコールまたはアルコキシシランは、ポリマーまたはオリゴマーの末端イソシアネート基とはあまり反応しないことが望ましい。例えば、TDIは通常、2,4−異性体と2,6−異性体との混合物として使用され、TDI単量体の2つのイソシアネート(−NCO)基の反応性は異なる、すなわち4位の−NCO基は、2または6位の−NCO基よりも反応性が高い。したがって、ポリオールと2,4−TDIとの反応では、4位の−NCO基は、ポリオールとの反応によって消え、主に2,4−TDIの2位由来の末端イソシアネート基を有するポリマーが生じる。残留2,4−TDIは依然として、より反応性の高い4位の−NCO基を含んでいる。ベンジルアルコールなどのアリールアルキルアルコールは、TDIの2位由来の、プレポリマーの反応性のより低い末端−NCO基とほとんど反応せずに(通常10%未満)、遊離の残留TDI単量体の4位のイソシアネート基と選択的に反応することができる。
【0019】
好ましい実施形態では、イソシアネート基を有するポリマーを含む組成物中に存在する残留2,4−TDI単量体と2,6−TDI単量体の混合物を、第二級アミノ基を有するアルコキシシランと共にアリールアルキルアルコールを用いて消去させる。
【0020】
アリールアルキルアルコールは、式(I)のベンジルアルコール:
【0021】
【化1】
【0022】
(式中、Rは水素、アルキル基、アリール基、アルキルアリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、またはアリールオキシ基であり、nは1から約5の整数である。アルキル基の例には、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル、オクチルが含まれ、好ましいアリール基には、フェニルおよびナフチルが含まれ、好ましいアリールアルキル基には、フェンメチル、フェネチル、フェンプロピル、およびフェンブチルが含まれ、アルキルアリール基の例にはまた、クメニル、メシチル、トリル、およびキシリルが含まれ、アルコキシ基には、メトキシ、エトキシ、ブトキシ、およびプロポキシが含まれる)が好ましい。
【0023】
アリールアルキルアルコールの例は、ベンジルアルコール、トリメチルベンジルアルコール、o−メチルベンジルアルコール、p−メチルベンジルアルコール、m−メチルベンジルアルコール、クミノール、o−エチルベンジルアルコール、p−メトキシベンジルアルコール、2,4−ジメトキシベンジルアルコール、およびp−エトキシベンジルアルコールである。アリールアルキルアルコールは、ベンジルアルコールであるのが最も好ましい。
【0024】
アルコキシシランは、式(II)の化合物:
R1R2R3Si−R’−NHR'' (II)
、あるいは式(III)の化合物:
R1R2R3Si−R’−NH−R’−SiR1R2R3 (III)
(式中、R1、R2およびR3はそれぞれ独立に、R1、R2、およびR3のうち少なくとも1つが、アルコキシまたはアリールオキシ基あるいはハロゲン原子などの容易に加水分解性基であるという条件で、炭素原子が6個までのアルキル基またはアルコキシ基、アリール基、アリールアルキル基、アリールオキシ基、あるいはアリールアルコキシ基、あるいはハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素、またはヨウ素)であり、前記アルキル基またはアルコキシ基は、炭素原子が約10個までであり、前記アリール部分は、フェニルまたはα−もしくはβ−ナフチル基であり、R’は、任意にOを含み、炭素原子が1個から約20個の二価の炭化水素基であり、R’’は、炭素原子が1個から約8個のアルキル基である)が好ましい。
【0025】
適切なアルコキシシランには、N−(n−ブチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、N−メチル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン、またはN−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランが含まれる。
【0026】
アリールアルキルアルコールと第二級アミノ基を有するアルコキシシランの混合物の、残留ポリイソシアネート単量体との反応では、残留ポリイソシアネート単量体のイソシアネート基のうちの少なくとも1つが消える。したがって、ポリイソシアネート単量体上のイソシアネート基の数は、「消去」によって効果的に減少する。説明のために、ポリイソシアネート単量体は、そのイソシアネート基のうちの少なくとも1つが消えて、反応性のない化学種になる場合、消去されたものとみなす。
【0027】
使用される消去剤の量は、消去によって、ポリマーまたはオリゴマー上のイソシアネート基の数をそれほど減少させずに、最大量のポリイソシアネート単量体を効果的に減少させるように選択される。こうした量は、通常の実験法によって決定することができる。消去ステップの後に残留してもよい残留ポリイソシアネート単量体の量は、0であることが好ましいが、約0.50重量%までの範囲でもよい。
【0028】
本明細書による方法の実施においては、概して高温を使用する必要はない。
【0029】
アルコキシシランに対するアリールアルキルアルコールのモル比は、1:1から約5:1までの範囲であることが好ましい。
【0030】
アリールアルキルアルコールのアルコキシシラン混合物の、残留TDIに対するモル比は、好ましくは約1.0から約2.5までの範囲、より好ましくは約1.5から約2.0までの範囲である。
【0031】
単一の第二級アミノ基を有するアルコキシシラン、例えばビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン[Osi Co.製のシルクエスト(SilquestTM)A−1170]は、アリールアルキルアルコールのイソシアネート基との反応を触媒することができる。あるいは、このアルコキシシランは、求核剤として働くことができる。アルコキシシランが、ポリマーまたはオリゴマーの末端−NCO基と反応する場合には、その−NCO基の損失を埋め合わせるために、反応性の高いシリル基、例えば−Si(OMe)3を導入することとなる。大量のアルコキシシランは、−NCO基と比較的ゆっくりと反応するので、これらの触媒としての寿命は、長時間であり得る。
【0032】
触媒としてのアルコキシシランの使用は、触媒として第三級アミンが使用される場合には起こる可能性がある副反応をもたらさない。例えば、第三級アミンは、時間経過に伴いポリマーの粘度を増加させる可能性がある内部架橋反応を誘発する可能性がある。触媒としてのアルコキシシランの使用は、アルコキシシランが、反応物として働くことができ、反応混合物から効果的に除去されるという点で好都合である。
【0033】
本発明の目的および利点を、以下の実施例によってさらに説明するが、これらの実施例中に記述された特定の材料およびその量、ならびに他の条件および詳細は、本発明を過度に限定するものと解釈されるべきではない。
【実施例】
【0034】
材料:
イソシアネート基を有するプレポリマー(プレポリマーA)を、当量比1:2.352の、三官能性ポリオール[プロピレンオキシドとエチレンオキシドの共重合体、アーチケミカル社(Arch Chemicals)製のポリG(polyGTM)83−84]とTDI[米国バイエル社(Bayer USA)製のモンドール(MondurTM)TD−80]から調製した(装入されたTDI 10.5重量%)。このプレポリマーは、残留TDI 1.8〜2.0重量%とイソシアネート基 2.8〜3.2重量%を含む、3M社の中間生成物である。この残留TDIは通常、NMRによって求められる通り、2,6−TDI 60〜70%と2,4−TDI 30〜40%との混合物である。ベンジルアルコールおよび第二級アミンは、アルドリッチ社(Aldrich)製であり、第二級アミノアルコキシシランは工業用サンプルであった。
【0035】
残留遊離TDIの分析:
プレポリマー中のイソシアネート含有量は、n−ブチルアミンを用いたプレポリマーの滴定によって求められた。装入された全TDIに対する残留TDIのモル比は、ウェスタンオンタリオ大学(the University of Western Ontario)で、600MHzのバリアン社(Varian)製NMR装置で実施された1H−NMR分析から得られた。
【0036】
プレポリマー中の残留TDIの重量百分率は、TDI装入比と残留TDIモル比によって算出された。
【0037】
イソシアネートプレポリマー中のTDI含有量を減少させるための一般手順
機械式攪拌装置を備え付け、乾燥窒素でパージした250mlの3口丸底フラスコに、イソシアネートプレポリマー200gを加えた。このプレポリマーに、攪拌しながら(300〜600rpm)、(比較例1〜7で示されている通りの)活性な水素を含む化合物、あるいはベンジルアルコールとアミノアルコキシシランとの混合物(実施例1〜4)を滴下した。2〜4時間後に、反応混合物を収集した。
【0038】
比較例1〜7:
比較例1〜3では、プレポリマーAを、脂肪族の第二級アミンであるビス(2−エチルヘキシル)アミン(BEHA)、芳香族の第二級アミンであるN−エチルアニリン(NEA)、および第二級アミノアルコキシシランであるビス[(3−トリメトキシシリル)プロピル]アミン(A−1170)と、TDIに対する反応物のモル比1.1で反応させた。
【0039】
比較例4および5では、プレポリマーAを、70〜85℃で、残留TDIの量に対して1.1または1.6当量のBAと反応させた。NMR分析では、BAの45〜55%のみがイソシアネート基と反応し、そのうちの大部分が2,4−TDI由来であることが示された。おそらく、BAの、2,6−TDIとの反応性が低いことが原因で、こうした場合では、残留TDI含有量は、85℃で2時間経過後も変わらない。
【0040】
比較例6および7では、プレポリマーAを、0.15重量%のTEAと共に、室温でBAと反応させた。
【0041】
【表1】
【0042】
実施例1:
プレポリマーを最初にBAと85℃で2時間反応させ、室温に冷却し、次いでA−1170と室温で2時間反応させた。NMR分析により、85℃で2時間経過後に、BAは55%のみが反応したのに対し、A−1170を加えて2時間後には完全に反応したことが明らかになった。
【0043】
実施例2〜5:
プレポリマーAを、BAとA−1170との混合物と室温で反応させた。BAとA−1170の総当量は、残留TDIに対して1.86に固定させた。これらの反応は、室温で4時間実施し、生成物を、アルゴン雰囲気中に、室温で保管した。
【0044】
【表2】
【0045】
本発明の範囲および精神を逸脱しない限り、本発明に対する様々な改変および変更は、当業者には明らかであろう。本発明は、本明細書で示された例示的な実施形態および実施例によって過度に限定されることを意図されておらず、こうした実施例および実施形態は例示目的で示され、本発明の範囲内は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである、ことを理解されたい。
Claims (7)
- イソシアネート基を有するポリマーまたはオリゴマーを含む組成物中のポリイソシアネート単量体の量を減少させるための方法であって、この組成物を、アリールアルキルアルコールおよび1つの第二級アミノ基を有するアルコキシシランを含む消去剤と反応させることを含む方法。
- アリールアルキルアルコールが、ベンジルアルコール、トリメチルベンジルアルコール、o−メチルベンジルアルコール、p−メチルベンジルアルコール、m−メチルベンジルアルコール、クミノール、o−エチルベンジルアルコール、p−メトキシベンジルアルコール、2,4−ジメトキシベンジルアルコール、またはp−エトキシベンジルアルコールである、請求項1に記載の方法。
- アリールアルキルアルコールが、ベンジルアルコールである、請求項1に記載の方法。
- アルコキシシランが、式(II)の化合物:
R1R2R3Si−R’−NHR'' (II)
、または式(III)の化合物:
R1R2R3Si−R’−NH−R’−SiR1R2R3 (III)
(式中、R1、R2、およびR3はそれぞれ、R1、R2、およびR3のうち少なくとも1つが、容易に加水分解性基であるという条件で、アルキル基またはアルコキシ基;アリール基、アリールアルキル基、アリールオキシ基、またはアリールアルコキシ基、あるいはハロゲン原子であり、R’は、任意にOを含み、炭素原子が1個から約20個の二価の炭化水素基であり、R’’は、炭素原子が1個から約8個のアルキル基である)である、請求項1に記載の方法。 - アルコキシシランが、N−(n−ブチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、N−メチル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン、またはN−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランである、請求項1に記載の方法。
- ポリイソシアネート単量体が、2,4−トリレンジイソシアネートと2,6−トリレンジイソシアネートの混合物である、請求項1に記載の方法。
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