JP2007204693A - 粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】機械的特性、耐摩耗性および耐折れ皺性などに優れた成形物を得ることができ、分子量の制御が容易で、溶融成形性に優れた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法を提供すること。
【解決手段】イソシアネート基末端プレポリマーの有するイソシアネート基の一部を、活性水素基と炭素数が4〜12の炭化水素基とを有する一官能の活性水素基含有化合物の当該活性水素基と反応させるとともに、当該イソシアネート基末端プレポリマーを分散媒(水)中に分散させ、当該イソシアネート基末端プレポリマーの有するイソシアネート基の残部を、水の有する活性水素基と反応させる工程を含み、前記イソシアネート基の一部と反応する一官能の活性水素基含有化合物の有する活性水素基のモル数をx1、前記イソシアネート基の残部と反応する水の有する活性水素基のモル数をx2とするとき、比率(x1/x2)が5〜35/95〜65である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、スラッシュ成形などに好適に用いられる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法に関する。
スラッシュ成形法は、複雑な形状を有し、肉厚の均一な製品を効率的に成形できることから、自動車の内装材等の用途に広く利用されている。
最近、スラッシュ成形材料として、柔軟性に優れた粉末状の熱可塑性ポリウレタン樹脂が採用されている。
本出願人は、ブルーミングが発生しにくくて、折れジワを形成されにくい成形物を得ることのできるスラッシュ成形用の粉末ポリウレタン樹脂(ポリウレタンウレア樹脂)の製造方法として、非水系の分散媒中に分散されたイソシアネート基末端プレポリマーを水と反応させて鎖延長する工程を含む製造方法を提案している(特許文献1参照)。
また、特許文献1には、イソシアネート基末端プレポリマーの有するイソシアネート基の一部を低分子ポリオールなどと反応させた後、イソシアネート基の残部を水と反応させることも開示されている。
特開2004−161866号公報
また本出願人は、溶融性に優れ、ブルーミングが発生しにくくて、折れジワを形成されにくい成形物を得ることのできるスラッシュ成形用の粉末ポリウレタン樹脂(ポリウレタンウレア樹脂)の製造方法として、非水系の分散媒中に分散されたイソシアネート基末端プレポリマーの一部を特定の一官能活性水素化合物と反応させ、その後で水と反応させて鎖延長する工程を含む製造方法を提案している(特願2005−257900)。
しかし、粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造過程において、イソシアネートと水とが局所的に反応すること(イソシアネートと水との反応により生成されるウレア結合が、その強い水素結合力によって局在化し、局所的なウレア化反応が促進されることなど)により、過大な分子量を有する難溶融性物質(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下、「GPC」と略記する)において、超高分子量を有するとされる位置で流出が観測される難溶融性物質)が形成され、このような難溶融性物質を含む粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂は、溶融成形性にきわめて劣るものとなるという問題がある。
また、分散媒として用いている非水系の有機溶剤は一般的に引火性が高いために、工業的に生産する際には安全性を確保するために高額な設備を必要とするという問題がある。
また、イソシアネート基末端プレポリマーの有するイソシアネート基の一部を低分子ポリオールなどと反応させた後、イソシアネート基の残部を水と反応させる方法では、イソシアネート基と活性水素基とのモル比制御により樹脂の分子量を制御すること(従来多用されている分子量設計方法)が困難であるという問題がある。これは、反応時において水の一部が蒸発したり、副反応に供されたりして、所定量(イソシアネート基の残部と当量)の活性水素基を、イソシアネート基の残部と確実に反応させることができないからである。
本発明の目的は、機械的特性、耐摩耗性および耐折れ皺性などに優れた成形物を得ることができる粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂であって、分子量の制御が容易で、しかも溶融成形性に優れた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を確実かつ安価な設備で製造することのできる方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、耐ブルーミング性にも優れた成形物を得ることができる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を確実に製造することのできる方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、スラッシュ成形用の粉末材料として好適な熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を確実かつ安全に製造することのできる方法を提供することにある。
本発明に係る製造方法は、粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を製造する方法であって、以下の第1工程乃至第3工程を含み、第1工程において有機ポリイソシアネートと反応する高分子ポリオールの有する活性水素基のモル数をA、イソシアネート基の一部と反応する炭素数4〜12の一官能の活性水素基含有化合物(以下一官能活性水素基含有化合物という)の有する活性水素基のモル数をx1、第2工程においてイソシアネート基の残部と反応する水の有する活性水素基のモル数をx2とするとき、比率〔(x1+x2)/A〕が0.3〜1.5であり、比率(x1/x2)が5〜35/95〜65であることを特徴とする。
第1工程:高分子ポリオールと一官能活性水素基含有化合物とを、有機ポリイソシアネートと反応させて、イソシアネート基含有プレポリマーを調製する工程。
第2工程:イソシアネート基含有プレポリマーを分散安定剤の存在下で水中に分散させ、イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基の残部を、水の有する活性水素基と反応させてポリウレタンウレア樹脂の分散液を調製する工程。
第3工程:得られた分散液からポリウレタンウレア樹脂を分離・乾燥して、粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製する工程。
また、前記比率〔(x1+x2)/A〕が0.3〜1.2であり、比率(x1/x2)が5〜20/95〜80であることが好ましい。
また、前記比率〔(x1+x2)/A〕が0.75〜1.5であり、比率(x1/x2)が10〜35/90〜65であることが好ましい。
さらに、第1工程で使用する有機ポリイソシアネートがヘキサメチレンジイソシアネートであることが好ましい。
(1)イソシアネート基含有プレポリマーを製造する際、反応系内のイソシアネート基の一部を、一官能活性水素基含有化合物と反応させることにより、分子量の制御が容易になるともに、過大な分子量(例えば、GPC分析においてMnが50万以上)の難溶融性物質の形成が抑制される。この結果、得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の溶融成形性が格段に向上する。
(2)イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基の残部を、水と反応させることにより、得られる樹脂中にウレア基が導入され、この結果、得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂による成形物に、優れた耐折れ皺性、機械的特性および耐摩耗性が発現される。
(3)一官能活性水素基含有化合物における炭化水素基の炭素数が4〜12であることにより、得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の分子量を確実に制御できるとともに、当該粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂による成形物は、耐ブルーミング性にも優れたものとなる。
(4)非水系の分散媒(有機溶剤)を使用しなくて済むため、安全に、かつ、安価な設備で粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を製造することができる
本発明に係る製造方法について説明する。
<イソシアネート基含有プレポリマー>
本発明の製造方法で使用するイソシアネート基含有プレポリマーは、高分子ポリオール、および一官能活性水素基含有化合物とを、有機ポリイソシアネートと反応させることにより得られる。
イソシアネート基含有プレポリマーを得るために使用する高分子ポリオールの数平均分子量は500以上とされ、好ましくは1,000〜5,000とされる。
高分子ポリオールの種類としては特に限定されるものではなく、例えばポリエステルポリオール、ポリエステルアミドポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリエーテル・エステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリオレフィンポリオールなどを挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。
ポリエステルポリオール、ポリエステルアミドポリオールとしては、ポリカルボン酸、ポリカルボン酸のジアルキルエステル、酸無水物、酸ハライド等のポリカルボン酸誘導体と、低分子ポリオール、数平均分子量が500未満である低分子ポリアミンや低分子アミノアルコール等の低分子活性水素基含有化合物との反応により得られるものである。
ポリカルボン酸としては、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸、アゼライン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸、無水フタル酸、ヘキサヒドロテレフタル酸、ヘキサヒドロイソフタル酸等が挙げられる。
低分子ポリオールとしては、エチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,2−プロピレングリコール、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(以後1,4−BDと略称する)、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール(以後1,6−HDと略称する)、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、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、3,3−ジメチロールヘプタン、ジエチレングリコール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、2−エチル−1,3−プロパンジオール、2−ノルマルプロピル−1,3−プロパンジオール、2−イソプロピル−1,3−プロパンジオール、2−ノルマルブチル−1,3−プロパンジオール、2−イソブチル−1,3−プロパンジオール、2−ターシャリーブチル−1,3−プロパンジオール、2−メチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−2−ノルマルプロピル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−2−ノルマルブチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル−3−エチル−1,4−ブタンジオール、2−メチル−3−エチル−1,4−ブタンジオール、2,3−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、2,3,4−トリエチル−1,5−ペンタンジオール、トリメチロールプロパン、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、ダイマー酸ジオール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ビスフェノールAのアルキレンオキサイド付加物等が挙げられる。
数平均分子量が500未満の低分子ポリアミンとしては、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、キシリレンジアミン、イソホロンジアミン、エチレントリアミン等が挙げられる。
数平均分子量が500未満の低分子アミノアルコールとしては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノプロパノールアミン等が挙げられる。
また、ε−カプロラクトン、アルキル置換ε−カプロラクトン、δ−バレロラクトン、アルキル置換δ−バレロラクトン等の環状エステル(ラクトン)モノマーを開環重合して得られるラクトン系ポリエステルポリオール等のポリエステルポリオールも好適に使用できる。
ポリエーテルポリオールとしては、例えばポリエチレングリコール、ポリプロピレンエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルポリオール等が挙げられる。
ポリエーテル・エステルポリオールとしては、上記のポリエーテルポリオールと、上記のポリカルボン酸誘導体とから製造されるポリエステルポリオールが挙げられる。
ポリカーボネートポリオールとしては、低分子ポリオールとジエチルカーボネートとの脱エタノール縮合反応;低分子ポリオールとジフェニルカーボネートとの脱フェノール縮合反応;低分子ポリオールとエチレンカーボネートとの脱エチレングリコール縮合反応等により得られるものが挙げられる。ポリカーボネートポリオールを得るために使用する低分子ポリオールとしては、ポリエステルポリオールを得るためのものとして例示した低分子ポリオールが挙げられる。
ポリオレフィンポリオールの具体例としては、水酸基末端ポリブタジエンやその水素添加物、水酸基含有塩素化ポリオレフィン等が挙げられる。
好ましい高分子ポリオールとしては、得られる成形物に良好な物性や感触などが発現できることから、数平均分子量1,000〜5,000の、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオールであり、中でも、数平均分子量1,000〜5,000のポリエステルポリオールが好ましく、酸成分として芳香族ジカルボン酸を20モル%以上60モル%未満用いたポリエステルポリオールが特に好ましい。
イソシアネート基含有プレポリマーを得るために使用する有機ポリイソシアネートとしては、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、キシレン−1,4−ジイソシアネート、キシレン−1,3−ジイソシアネート、テトラメチルキシ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ジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(以後HDIと略称する)、デカメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート等の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の他、その重合体やそのポリメリック体、ウレタン変性体、アロファネート変性体、ウレア変性体、ビウレット変性体、カルボジイミド変性体、ウレトンイミン変性体、ウレトジオン変性体、イソシアヌレート変性体、更にこれらの2種以上の混合物が挙げられる。本発明では、成形物の耐候性等を考慮すると、脂肪族及び/又は脂環族ジイソシアネートが好ましく、特にHDI、イソホロ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が好ましく、HDIが最も好ましい。
イソシアネート基含有プレポリマーを得るために使用する高分子ポリオールと、有機ポリイソシアネートとの割合としては、前者の有する水酸基に対する後者の有するイソシアネート基のモル比(〔NCO〕/〔OH〕)が1.05〜5.0となる割合であることが好ましく、更に好ましくは1.3〜2.5となる割合である。
高分子ポリオールと一官能活性水素基含有化合物と有機ポリイソシアネートとの反応は、得られるイソシアネート基含有プレポリマーを実質的に溶解することができる有機溶剤、及び/又は、可塑剤の不存在下で行うことが好ましいが、当該イソシアネート基含有プレポリマーの粘度を下げて水中への分散を容易にするために、前記有機溶剤及び可塑剤の存在下(溶解状態)で行ってもよい。
<一官能活性水素基含有化合物>
本発明の製造方法で使用する一官能活性水素基含有化合物は、活性水素基と、炭素数が4〜12の炭化水素基とを有する活性水素基含有化合物である。
本発明の製造方法において、一官能活性水素基含有化合物の有する活性水素基は、イソシアネート基の一部と反応し、最終的に得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の分子量を制御するために用いられるものである。
一官能活性水素基含有化合物の有する「活性水素基」としては、水酸基(−OH)、イミノ基(=NH)およびアミノ基(−NH)を挙げることができる。
一官能活性水素基含有化合物の有する「炭素数が4〜12の炭化水素基」としては、アルキル基およびアルケニル基を挙げることができる。
一官能活性水素基含有化合物の有する「炭化水素基」の炭素数は4〜12とされ、好ましくは4〜11、更に好ましくは4〜9とされる。
一官能活性水素基含有化合物の炭素数が4未満の場合には、得られる樹脂の分子量を制御することができない(比較例9参照)。一方、炭素数が12を超える活性水素基含有化合物を使用する場合には、得られる樹脂による成形物にブルーミングが発生しやすい(比較例8および10参照)。
一官能活性水素基含有化合物の具体例としては、ジ−n−ブチルアミン、ジ−イソブチルアミン、ジ−t−ブチルアミン、ジ−n−ヘキシルアミン、ジ−シクロヘキシルアミン、ジ−n−オクチルアミン、ジ−2−エチルヘキシルアミン、ジ−n−ノニルアミン、ジ−ドデシルアミンなどのジアルキルアミン(第二級アミン);ジ−アリルアミンなどのジアルケニルアミン;ドデシルアミンなどのアルキルアミン(第一級アミン);n−ブタノール、イソブタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、n−ノニノール、n−デカノール、ラウリルアルコール、シクロヘキサノールなどのモノオールを挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらのうち、ジアルキルアミンが好ましい。
前記一官能活性水素基含有化合物については、高分子ポリオールと同時に有機ポリイソシアネートと反応させることが好ましいが、あらかじめ高分子ポリオールと有機ポリイソシアネートを反応させたイソシアネート基含有の中間体に反応させてもよい。
<水>
本発明の製造方法では、水は分散媒であると同時に鎖延長剤の役割も担っている。ここで水の有する活性水素基は、イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基の残部と反応する。
イソシアネート基含有プレポリマー(イソシアネート基の残部)と、水(活性水素基)との反応は、水中において行われる。
<有機溶剤>
イソシアネート基含有プレポリマーの粘度を下げるために使用できる有機溶剤としては、THF、アセトン、メチルエチルケトン(以下MEKと略す)、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等の極性の有機媒体が挙げられる。
粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を最終的に得るためには、これらの有機溶剤を樹脂中から除去する必要があり、除去の容易さから、THF、アセトン、MEKが好ましい。この中で、アセトン、MEKが特に好ましい。
<可塑剤>
イソシアネート基含有プレポリマーの粘度を下げるために使用できる可塑剤としては、ジブチルフタレート、ジイソブチルフタレート、ジヘキシルフタレート、ジヘプチルフタレート、ジ−(2−エチルヘキシル)フタレート、ジ−n−オクチルフタレート、ジノニルフタレート、ジイソノニルフタレート、ジイソデシルフタレート、ジウンデシルフタレート、ジトリデシルフタレート、ジシクロヘキシルフタレート、ジフェニルフタレート、ジベンジルフタレート、ブチルベンジルフタレート、ミリスチルベンジルフタレート等のフタル酸エステル類;ジ−(2−エチルヘキシル)イソフタレート、ジイソオクチルイソフタレート等のイソフタル酸エステル類;ジ−2−エチルヘキシルテトラヒドロフタレート等のテトラヒドロフタル酸エステル類;ジ−(2−エチルヘキシル)アジペート、ジブトキシエチルアジペート、ジイソノニルアジペート等のアジピン酸エステル類;ジ−n−ヘキシルアゼレート、ジ−(2−エチルヘキシル)アゼレート等のアゼライン酸エステル類;ジ−n−ブチルセバケート等のセバシン酸エステル類;ジ−n−ブチルマレエート、ジ−(2−エチルヘキシル)マレエート等のマレイン酸エステル類;ジ−n−ブチルフマレート、ジ−(2−エチルヘキシル)フマレート等のフマル酸エステル類;トリー(2−エチルヘキシル)トリメリテート、トリ−n−オクチルトリメリテート、トリイソオクチルトリメリテート等のトリメリット酸エステル類;テトラ−(2−エチルヘキシル)ピロメリテート、テトラ−n−オクチルピロメリテート等のピロメリット酸エステル類;トリ−n−ブチルシトレート、アセチルトリブチルシトレート等のクエン酸エステル類;ジメチルイタコネート、ジエチルイタコネート、ジブチルイタコネート、ジ−(2−エチルヘキシル)イタコネート等のイタコン酸エステル類;グリセリルモノオレエート、ジエチレングリコールモノオレエート等のオレイン酸エステル類;グリセリルモノリシノレート、ジエチレングリコールモノリシノレート等のリシノール酸誘導体;グリセリンモノステアレート、ジエチレングリコールジステアレート等のステアリン酸エステル類;ジエチレングリコールジペラルゴネート、ペンタエリスリトール脂肪酸エステル等のその他の脂肪酸エステル類;トリブトキシエチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、ジフェニルデシルホスフェート、ジフェニルオクチルホスフェート等のリン酸エステル類;ジエチレングリコールジベンゾエート、トリエチレングリコールジベンゾエート、ポリエチレングリコールジベンゾエートなどのポリアルキレングリコールの芳香族モノカルボン酸ジエステル類;トリエチレングリコールジ−(2−エチルヘキソエート)、トリプロピレングリコールジベンゾエート、ジブチルメチレンビスチオグリコレート等のグリコール誘導体;グリセロールモノアセテート、グリセロールトリアセテート、グリセロールトリブチレート等のグリセリン誘導体;エポキシ化大豆油、エポキシブチルステアレート、エポキシヘキサヒドロフタル酸ジ−2−エチルヘキシル、エポキシヘキサヒドロフタル酸ジイソデシル、エポキシトリグリセライド、エポキシ化オレイン酸オクチル、エポキシ化オレイン酸デシル等のエポキシ誘導体;その他アジピン酸系ポリエステル、セバシン酸系ポリエステル、フタル酸系ポリエステル等ならびにこれらの2種以上の混合物等が挙げられる。
得られる樹脂による成形物に発生する可能性のあるブルーミングや、成形物の低温特性、特に低温での脆性破壊を抑止する観点から、前記ポリアルキレングリコールの芳香族モノカルボン酸ジエステルが好ましい。
また可塑剤の使用量としては、得られる粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂に対する割合として、通常30%以下であり、好ましくは25%以下とされている。
<分散安定剤>
なお、水中に高分子のイソシアネート基含有プレポリマーを均一に分散させる観点から、分散安定剤を用いることが好ましい。分散安定剤は、イソシアネート基含有プレポリマーとの親和性の高い部分と、水との親和性の高い部分が一つの分子中に存在する構造を有するものである。
分散安定剤としては、特に限定されず公知のものを使用でき、具体例としてはメチルセルロース系、ヒドロキシエチルセルロース系等のセルロース系水溶性樹脂、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩類および活性水素含有ポリブタジエンからなるウレタン樹脂が挙げられる。
この他に、不飽和結合を有する有機オリゴマーと、親水性の側鎖をもつエチレン性不飽和単量体との反応生成物が好適なものとして挙げられる。
この有機オリゴマーとしては、例えば、ポリブタジエン、ポリイソプレンのようなジエンモノマーの重合体や、グリコール類や二塩基酸類の一部に不飽和結合含有グリコールあるいは不飽和結合含有ジカルボン酸を用いて製造したポリエステルポリオール、不飽和結合含有グリコールを出発物質に用いて製造したポリエーテルポリオール、数平均分子量2,000以下の水酸基末端のポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネート等と不飽和結合含有ジカルボン酸とのエステル化反応によって得られるポリオール等の他に、ポリオレフィンポリオール等が挙げられる。
前記の不飽和結合含有グリコールとしては、例えば、2−ブテン−1,4−ジオール、グリセリンモノアリルエーテル等が挙げられる。また、不飽和結合含有ジカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等が挙げられる。
分散安定剤の添加方法については、第1工程でイソシアネート基含有プレポリマー中に混合する方法、及び/又は、水に混合する方法が挙げられる。
また、分散安定剤の使用量としては、イソシアネート基含有プレポリマーに対して0.1〜10質量%であることが好ましく、更に好ましくは0.5〜5質量%とされる。
<一官能活性水素基含有化合物および水の割合>
本発明における一官能活性水素基含有化合物と水との割合としては、一官能活性水素基含有化合物の有する活性水素基のモル数(反応モル数)をx1、水の有する活性水素基のモル数(反応モル数)をx2とするとき、比率(x1/x2)が5/95〜35/65とされる。
この比率(x1/x2)が5/95未満、すなわち一官能活性水素基含有化合物の割合が過小である場合には、過大な分子量の難溶融性物質の形成を抑制することができず、得られる粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂には、好適な溶融成形性(特に、レベリング性およびピンホール防止性能)を奏することができない(後述する比較例3参照)。一方、比率(x1/x2)が35/65を超える場合、すなわち一官能活性水素基含有化合物の割合が過大である場合には、得られるポリウレタンウレア樹脂による成形物に、良好な耐折れ皺性や耐摩耗性などを付与することができない(後述する比較例4参照)。
第1工程において、イソシアネート基含有プレポリマーを得るために使用される高分子ポリオールと、有機ポリイソシアネートとの割合としては、前者の有する水酸基に対する後者の有するイソシアネート基のモル比(〔NCO〕/〔OH〕)が1.3〜2.5となる割合とされる。
モル比(〔NCO〕/〔OH〕)が1.3未満である場合には、得られるイソシアネート基含有プレポリマーに十分な濃度のNCO基を導入することができず、これを使用して得られるポリウレタンウレア樹脂中に十分な濃度のウレア基を導入することができず、当該樹脂による成形物に、優れた耐折れ皺性、機械的特性および耐摩耗性を付与することができない(後述する比較例1参照)。
一方、モル比(〔NCO〕/〔OH〕)が2.5を超える場合には、得られるイソシアネート基含有プレポリマーにおいて過剰量のNCO基が導入され、これを使用して得られるポリウレタンウレア樹脂中におけるウレア基の濃度が過大となり、副反応による難溶融性物質の生成を抑制することができず、溶融成形性が低下する(後述する比較例2参照)。
第1工程では、必要に応じて、従来公知のウレタン化触媒などを用いることができる。ウレタン化触媒としては、トリエチレンジアミン、ビス−2−ジメチルアミノエチルエーテル、ジブチルチンジラウレート、ナフテン酸鉛、ナフテン酸鉄、オクテン酸銅、ビスマス系触媒等を例示することができる。
第1工程における反応条件としては、低沸点の有機溶剤を併用した場合や、低沸点の一官能活性水素化合物を使用する場合によっても異なるが、40〜110℃で1〜4時間であることが好ましく、更に好ましくは50〜100℃で2〜3時間とされる。
第2工程は、イソシアネート基含有プレポリマーを水中に分散させた後、水を反応させ分子鎖を延長する工程でもある。具体的には、第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマー組成物に分散安定剤を配合した後、該配合物を水に分散させてから、イソシアネート基と水とを反応させる行う工程である。
第2工程で得られるイソシアネート基含有プレポリマーの分散液において、分散相(分散媒以外の原料の総和量)と連続相(分散媒)との質量比は、生産効率、製造コストを考慮すると、分散相/連続相=10/90〜80/20であることが好ましく、更に好ましくは15/85〜75/25、さらに好ましくは20/80〜70/30とされる。
また、分散液を調整する際には、既知の機械式高速撹拌機〔プライミクス(株)製ホモミクサー、(株)ユーロテック製キャビトロン、ヤマト科学(株)製ウルトラディスパーザー、など〕を用いることができる。
さらに第2工程では、イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基の残部と、水の有する活性水素基とを、イソシアネート基が完全に消費されるまで反応させる。
第2工程において、イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基と、水の有する活性水素基との反応における反応温度としては40〜85℃であることが好ましく、更に好ましくは50〜80℃とされる。
反応温度が低過ぎると反応に長時間を要する。一方、反応温度が高過ぎると、水などが蒸発して製造装置に還流装置などの設備が必要となる。
本発明においては、
(1)比率〔(x1+x2)/A〕が0.3〜1.2で、かつ、比率(x1/x2)が5/95〜20/80であること、および
(2)比率〔(x1+x2)/A〕が0.75〜1.5で、かつ、比率(x1/x2)が10/90〜35/65であることが特に好ましい。
<第3工程>
第3工程は、第2工程で得られた分散液からポリウレタンウレア樹脂を分離・乾燥して、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製する工程である。
具体的には、濾過法またはデカンテーション法により、ポリウレタンウレア樹脂を分散媒から分離し、次いで、常圧または減圧下において、常温または加温して乾燥する。
<粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂>
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の形状は、流動性(成形加工時の流れ性)のよい真球状である。また、当該粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の安息角は35°以下であることが好ましく、更に好ましくは20°〜33°である。安息角が過大となる場合は、成形加工時の流れ性が悪くなり、成形不良を起こしやすい。
なお、塊状の樹脂を冷凍粉砕することによって製造される粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の安息角は33°を超えるものとなる。
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の数平均分子量(Mn)は18,000〜50,000であることが好ましく、更に好ましくは20,000〜45,000である。
数平均分子量(Mn)が過小である場合には、最終的に得られる成形物に、十分な機械的特性および耐久性を付与することができない。
一方、数平均分子量(Mn)が過大の場合には、好適な溶融成形性を発揮することができない(後述する比較例1〜2、比較例8参照)。
ここに、「ポリウレタンウレア樹脂の数平均分子量(Mn)」は、GPC測定により、超高分子量(Mnが50万以上)のピーク以外のピークから求められる値をいう。
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の重量平均分子量(Mw)は43,000〜110,000であることが好ましく、更に好ましくは47,000〜100,000である。
ここに、「ポリウレタンウレア樹脂の重量平均分子量(Mw)」は、GPC測定により、超高分子量のピーク以外のピークから求められる値をいう。
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の平均粒径は1,000μm以下とされ、好ましくは10〜500μm、更に好ましくは90〜200μmとされる。
平均粒径が過大である場合には、得られる成形物におけるアンダーカット部やコーナー部にピンホールが生じやすい。
一方、平均粒径が過大である場合には、流れ性や粉切れが悪化して、得られる成形物の肉厚が不均一になりやすい。
ここに、「平均粒径」とは、レーザー式粒度分析計によって測定した粒径分布カーブにおける50%の累積パーセントの値をいう。
なお、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の平均粒径は、イソシアネート基含有プレポリマーに前述の有機溶剤、及び/又は、可塑剤を併用することで小さく調節することが可能である。
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂には、必要に応じて添加剤を添加することができる。かかる添加剤としては、顔料・染料、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、ブロッキング防止剤、ラジカル重合開始剤、カップリング剤、難燃剤、無機及び有機充填剤、滑剤、帯電防止剤、架橋剤等を挙げることができる。
ここでの「可塑剤」としては、第1工程で使用可能なものと同じものが挙げられる。
「顔料」としては、不溶性アゾ顔料、溶性アゾ顔料、銅フタロシアニン系顔料、キナクリドン系顔料等の有機顔料;クロム酸塩、フェロシアン化合物、金属酸化物、金属塩類(硫酸塩、珪酸塩、炭酸塩、燐酸塩等)、金属粉末、カーボンブラック等の無機顔料を挙げることができる。
一般的に、着色剤として入手可能な顔料には、分散性を改善するために顔料分散剤が含まれているケースが多い。
顔料分散剤としては、低分子ポリエチレンや石油樹脂などの樹脂系分散剤;シリカや炭酸カルシウムのような無機系分散剤;シランカップリング剤等が挙げられる。
顔料の添加量は、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂に対して、通常5質量%以下とされ、好ましくは1〜3質量%とされる。
「酸化防止剤」としては、フェノール系[2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ブチル化ヒドロキシアニソール等]、ビスフェノール系[2,2’−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)等]、リン系[トリフェニルフォスファイト、ジフェニルイソデシルフォスファイト等]を挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。
「紫外線吸収剤」としては、ベンゾフェノン系[2,4−ジヒドロキシベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−4−メトキシベンゾフェノン等]、ベンゾトリアゾール系[2−(2’−ヒドロキシ−5’−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール等]、サリチル酸系[フェニルサリシレート等]、ヒンダードアミン系[ビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)セバケート等]を挙げることができ、これらは単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。
酸化防止剤および紫外線吸収剤の添加量は、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂に対して、通常5質量%以下とされ、好ましくは0.01〜3質量%とされる。
「ブロッキング防止剤」としては特に限定されるものではなく、公知の無機系ブロッキング防止剤および有機系ブロッキング防止剤を挙げることができる。
無機系ブロッキング防止剤としては、シリカ、タルク、酸化チタン、炭酸カルシウム等が挙げられ、有機系ブロッキング防止剤としては、粒子径10μm以下の熱硬化性樹脂(例えば、熱硬化性ポリウレタン樹脂、グアナミン系樹脂、エポキシ系樹脂等)、及び粒子径10μm以下の熱可塑性樹脂(例えば、熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂、ポリ(メタ)アクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂等)が挙げられる。
これらのうち、有機系ブロッキング防止剤が好ましく、ポリ(メタ)アクリレート樹脂やポリスチレン樹脂が特に好ましい。
ブロッキング防止剤の添加量は、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂に対して通常5質量%未満とされ、好ましくは0.1〜3質量%とされる。
<スラッシュ成形法>
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂は、スラッシュ成形用の粉末材料として好適に使用することができる。
スラッシュ成形法の一例を示せば以下のとおりある。
先ず、モールド(金型)に離型剤を塗布した後、この金型を加熱する。ここに、離型剤の塗布は60℃以下で行う。離型剤の塗布方法としては、例えばエアースプレー法、刷毛塗り法などを例示することができる。金型の加熱温度は、通常150〜300℃とされ、好ましくは180〜280℃とされる。加熱方法としては、熱砂加熱法、オイル加熱法などを例示することができる。
次に、粉末材料(本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂)を金型内に仕込み、15〜45秒間保持(粉付け)し、余剰の粉末材料を除去した後、200〜400℃の加熱オーブン内に金型を入れ、通常20〜300秒、好ましくは30〜120秒間にわたり加熱することにより、粉末材料の溶融を完結させる。
その後、加熱オーブンから取り出した金型を水冷法等により冷却し、脱型することによりスラッシュ成形物(例えば、0.7〜2mmの厚さのシート)を得る。
また、スラッシュ成形物(シート)を取り出すことなく、同じ金型内に、ポリウレタンフォーム形成材料を導入し、これを発泡させて、ポリウレタンフォームからなるコア材を形成させた後に脱型することにより、スラッシュ成形物からなる表皮層を有する部材(例えば、自動車のインストルメントバネル、コンソールボックス、アームレスト等)を製造することができる。ここに、ポリウレタンフォームとしては、密度が0.02〜0.5g/cm3 である軟質フォームおよび半硬質フォームが挙げられる。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔調製例1(分散安定剤溶液の調製)〕
攪拌機、温度計、留出塔及び窒素ガス導入管を備えた容量2Lの反応器に、アジピン酸565gと3−メチルペンタンジオール575gとを仕込み、窒素ガスを流しながら、150℃、常圧の条件で攪拌することによりエステル化反応させ、数平均分子量1000のポリエステルジオールを合成した。
次に、攪拌機、温度計、留出塔及び窒素ガス導入管を備えた容量1000mLの反応器に、上記のポリエステルジオール100gと、ジイソノニルアジペート150gを仕込み、窒素ガスを流しながら80℃まで昇温して攪拌した。ここにヘキサメチレンジイソシアネート42gを追加し、80℃で2時間反応させて、イソシアネート基含有プレポリマーを調整した。ここに数平均分子量1000のポリビニルアルコールを200g追加で仕込み、更に80℃で2時間反応させて固形分約70%の分散安定剤溶液を得た。以下、これを「分散安定剤溶液(1)」という。
〔調製例2(分散安定剤溶液の調製)〕
攪拌機、温度計、留出塔及び窒素ガス導入管を備えた容量2Lの反応器に、アジピン酸762gと無水マレイン酸49gとエチレングリコール386gとを仕込み、窒素ガスを流しながら、150℃、常圧の条件で攪拌することによりエステル化反応させた。
縮合水が認められなくなった時点で、テトラブチルチタネート0.1gを添加し、反応系内の圧力を徐々に0.07kPaまで減圧するとともに、190℃まで徐々に昇温して反応を継続することによりポリエステルを得た。得られたポリエステルの数平均分子量は2,000、ヨウ素価は12.7gI/100gであった。
続いて、攪拌機、温度計、留出塔及び窒素ガス導入管を備えた容量500mLの反応器に、上記のポリエステル74gと酢酸ブチル150gとを仕込み、窒素ガスを流しながら110℃まで昇温して、攪拌した。その後、メトキシPEG(重合度7)メタクリレート75gと過酸化ベンゾイル1gとの溶解混合物を滴下ロートから1時間かけて滴下した。滴下終了後、130℃に昇温して更に2時間反応させることにより、固形分50%の分散安定剤溶液を得た。以下、これを「分散安定剤溶液(2)」という。
<実施例1>
(1)第1工程:
攪拌機、温度計、冷却器および窒素ガス導入管を備えた容量3Lの反応器に、高分子ポリオールである、1,4−BDとアジピン酸とから得られる数平均分子量1,000のポリエステルジオール(PBA−1000)255.3gと、エチレングリコールと1,4−BDおよびアジピン酸とから得られる数平均分子量2,600のポリエステルジオール(PBEA−2600)255.3g、1,6−HDとイソフタル酸とから得られる数平均分子量1,000のポリエステルジオール(HiP−1000)170.2g、1,6−HDとオルソフタル酸とから得られる数平均分子量1,500のポリエステルジオール(HoP−1500)170.2gを90℃で混合した。
次に上記混合物を65℃まで冷却し、一官能活性水素基含有化合物であるジ−2−エチルヘキシルアミン13.9gを添加後さらに混合し、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)139.3gと、ビスマス系触媒「ネオスタン U−600」(日東化成(株)製)0.050gとを添加し、まず65℃で15分、引き続き80〜90℃で3時間にわたり反応させた。
NCO含量が設計値である1.36%になったことを確認し、イソシアネート基含有プレポリマーを得た。
(2)第2工程:
第1工程で得られた上記のイソシアネート基含有プレポリマーを60℃に冷却した後、MEK200gと分散安定剤溶液(1)42.9gを加えて均一に混合して、イソシアネート基含有プレポリマー/分散剤混合液を調整した。
このMEKの量は、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して20%に相当する量である。また、分散安定剤溶液(1)の量は、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して3.0%に相当する量である。
次いで配合物の全量を60℃に調節し、60℃の温水(2353g)中に、プライミクス(株)製ホモミクサー(機械式強制分散機)を用いて8000rpmの回転数で2分間混合し分散させた。
この混合分散物を温度計、撹拌機及び窒素吹込み管を備えた反応容器に移し、撹拌しながら60℃で10時間反応させた。
この実施例において、比率〔(x1+x2)/A〕は0.30であり、比率(x1/x2)は15/85である。
(2)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、下記に示す添加剤(i)〜(iv)を添加し、これを温度計、撹拌機を備えた撹拌容器に移し、撹拌しながら80℃で2時間混合し、その後内圧を下げて含水率が0.3%未満になるまで減圧乾燥した。乾燥後、打粉剤「MP1451」(綜研化学(株)製)3.0gを添加・混合し、300μm以上の粒子を分級カットした。さらに下記に示す添加剤(v)と(vi)の混合物(v/vi=15/85)を7.0g添加してヘンシェルミキサーで6000rpmの回転数で2分間撹拌混合することにより、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は真球状であり、安息角は26°であった。
〔添加剤〕
(i) 酸化防止剤:「イルガノックス245」(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製),添加量=2.5g。
(ii)紫外線吸収剤:「チヌビン 213」(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製),添加量=1.5g。
(iii)光安定剤:「チヌビン 765」(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製),添加量=1.5g。
(iv)内部離型剤:「SH200−100,000cs」(東レ・ダウコーニング(株)製),添加量=2.0g。
(v)黒色顔料:カーボンブラック分散顔料「PV−817」〔粉末顔料であるカーボンブラックと顔料分散剤である炭酸カルシウムを40/60の比率で混合したもの〕(住化カラー(株)製)
(vi)白色顔料:酸化チタン分散顔料「PV−7A1301」〔粉末顔料である酸化チタンと顔料分散剤である炭酸カルシウムを70/30の比率で混合したもの〕(住化カラー(株)製)
<実施例2〜9>
下記の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
(1)第1工程:
実施例1の第1工程と同様にして、下記表1および表2に示す処方に従って、所定量の高分子ポリオール、一官能活性水素化合物、HDI、触媒を用いてイソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整した。
(2)第2工程:
実施例1の第2工程と同様の条件で、第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマーをMEKおよび分散安定剤溶液(1)を配合した後、該配合物を60℃の温水中に分散させ、その後別の反応容器に移し、撹拌しながら60℃で10時間反応させた。
下記表1および表2に、使用した水および分散安定剤の量、また、比率〔(x1+x2)/A〕、比率(x1/x2)の値を併せて示す。
(3)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、実施例1で用いた添加剤(i)〜(vi)を実施例1と同じ方法で添加混合し、それぞれ粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は、いずれも真球状であり、安息角は26°であった。
Figure 2007204693
Figure 2007204693
上記表1および下記表2において、略号で示される物質は以下のとおりである。
*「PBA−1000」:
1,4−BDとアジピン酸とから得られる、数平均分子量1,000のポリエステルジオール。
*「PBEA−2600」:
1,4−BDとエチレングリコールとアジピン酸とから得られる、数平均分子量2,600のポリエステルジオール。
*「PHiP−1000」:
1,6−HDとイソフタル酸とから得られる、数平均分子量1,000のポリエステルジオール。
*「PHoP−1500」:
1,6−HDとオルソフタル酸とから得られる、数平均分子量1,500のポリエステルジオール。
*「U−600(触媒)」:
ビスマス系触媒「ネオスタン U−600」(日東化成(株)製)。
*「MEK(有機溶剤)」:
「メチルエチルケトン」(協和発酵ケミカル(株)製)。
*「PL−PB(可塑剤)」:
PEG−400と安息香酸から得られる、ポリエステル系可塑剤(日本ポリウレタン工業(株)製)。
*「D−2EHA(一官能活性水素化合物)」:
「ジ−2−エチルヘキシルアミン」(広栄化学(株)製)。
<比較例1〜2>
下記の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
(1)第1工程:
実施例1の第1工程と同様にして、下記表1に示す処方に従って、所定量の高分子ポリオール、一官能活性水素化合物、HDI、触媒、MEK、分散安定剤溶液(1)を用いてイソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整した。
(2)第2工程:
第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマー溶液を、実施例1の第2工程と同様の条件で60℃の温水中に分散させ、その後で別の反応容器に移し、撹拌しながら60℃で10時間反応させた。
表1に、使用した水および分散安定剤の量、また、比率〔(x1+x2)/A〕、比率(x1/x2)の値を併せて示す。
(3)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、実施例1で用いた添加剤(i)〜(vi)を実施例1と同じ方法で添加混合し、それぞれ粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は、いずれも真球状であり、安息角は27°であった。
比較例1において、比率〔(x1+x2)/A〕は0.20であり、比率(x1/x2)が15/85である。また、比較例2において、比率〔(x1+x2)/A〕は1.70であり、比率(x1/x2)が15/85である。
この比較例1は、一官能活性水素基含有化合物の使用比率〔(x1+x2)/A〕が請求の範囲の下限を下回る例であり、比較例2は同比率が上限を上回る例である。
<比較例3〜4>
下記の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
(1)第1工程:
実施例1の第1工程と同様にして、表2に示す処方に従って、所定量の高分子ポリオール、一官能活性水素化合物、HDI、触媒、MEK、分散安定剤溶液(1)を用いてイソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整した。
(2)第2工程:
実施例1の第2工程と同様の条件で、第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマー溶液を60℃の温水中に分散させ、その後で別の反応容器に移し、撹拌しながら60℃で10時間反応させた。
表2に、使用した水および分散安定剤の量、また、比率〔(x1+x2)/A〕、比率(x1/x2)の値を併せて示す。
(3)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、実施例1で用いた添加剤(i)〜(vi)を実施例1と同じ方法で添加混合し、それぞれ粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は、いずれも真球状であり、安息角は26°であった。
比較例3において、比率〔(x1+x2)/A〕は0.90であり、比率(x1/x2)が3/97である。また、比較例4において、比率〔(x1+x2)/A〕は0.90であり、比率(x1/x2)が40/60である。
この比較例3は、比率(x1/x2)が請求の範囲の下限を下回る例であり、比較例4は同比率が上限を上回る例である。
<実施例10〜17>
下記表3に記載した処方に従って、実施例1と同様の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
Figure 2007204693
実施例10は分散安定剤溶液(2)を使用した実施例で、その他の樹脂組成としては実施例3と同一である。
実施例11〜12は、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に、MEKではなく、PL−PB(可塑剤)を使用した例である。PL−PB(可塑剤)の添加量は、得られるイソシアネート基含有プレポリマーに対して、それぞれ10%と25%としている。
実施例13は、実施例3の分散安定剤溶液(1)の使用量を5%に変更した例である。
実施例14は、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に、MEKを使用していない無溶剤系での合成例である。なお、無溶剤系ではイソシアネート基含有プレポリマーの粘度が高いため、第2工程における分散温度を80℃に上げて対応した。
実施例15〜16は、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に使用するMEKの量を、実施例3に対して増減させた例である。実施例15では、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して10%に、実施例16では30%としている。
実施例17は、実施例3で使用した分散安定剤溶液(1)を分散安定剤溶液(2)に変更し、さらにイソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に、MEKおよびPL−PB(可塑剤)を併用した例である。
分散安定剤溶液(2)使用量は、得られるイソシアネート基含有プレポリマーに対して5.0%に、MEKとPL−PB(可塑剤)の量は、いずれも得られるイソシアネート基含有プレポリマーに対して15%としている。
<比較例5>
表3に記載した処方に従って、実施例1と同様の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製した。
比較例5は、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に、PL−PB(可塑剤)を使用した例である。PL−PB(可塑剤)の添加量は、得られるイソシアネート基含有プレポリマーに対して35%としており、本発明の好ましい範囲を超えた使用量となっている。
<比較例6>
表4に記載した処方に従って、以下の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製した。
(1)第1工程:
攪拌機、温度計、冷却器および窒素ガス導入管を備えた容量3Lの反応器に、実施例1と同様のPBA−1000:254.2gと、PBEA−2600:254.2g、PHiP−1000:169.5g、PHoP−1500:169.5gを90℃で混合した。
液温を65℃まで冷却し、一官能活性水素基含有化合物であるジ−2−エチルヘキシルアミン13.8gを添加後さらに混合し、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)138.7gと、ビスマス系触媒「ネオスタン U−600」(日東化成(株)製)0.050gとを添加し、まず65℃で15分、引き続き80〜90℃で3時間にわたり反応させた。
イソシアネート含量が設計値である1.36%となり、反応が完結したことを確認して、イソシアネート基含有プレポリマーを得た。
次いでイソシアネート基含有プレポリマーを60℃に冷却した後、MEK200gと分散安定剤溶液(1)42.9gを加えて均一に混合して、プレポリマー溶液を調整した。
このMEKの量は、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して20%に相当する量である。また、分散安定剤溶液(1)の量は、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して3.0%に相当する量である。
(2)第2工程:
60℃に調節した1000gの水中に、ヘキサメチレンジアミン(以下HDAと略す)18.8gをプライミクス(株)製ホモミクサー(機械式強制分散機)を用いて8000rpmの回転数で5分間混合し水中にHDAを分散させた。
次いで第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマー溶液を60℃に調節し、上記と同じホモミクサー(機械式強制分散機)を用いて、60℃に調節した1333gの水中(別の容器に準備した)に、8000rpmの回転数で10分間混合し、60℃の温水中に分散させた。
上記のHDAの分散液と、イソシアネート基含有プレポリマー溶液の分散液を混合し、反応させた。
この混合物を温度計、撹拌機及び窒素吹込み管を備えた反応容器に移し、撹拌しながら70℃で10時間反応させた。
Figure 2007204693
この比較例6は、実施例1で鎖延長剤として用いた水(イソシアネート基含有プレポリマー溶液中の、イソシアネート基と反応する水)と同モル数のHDAを使用した比較例であり、HDAの有する活性水素基のモル数(イソシアネート基とウレア化反応するモル数)をx2’とすると、比率〔(x1+x2’)/A〕は0.30であり、比率(x1/x2’)は15/85である。
(3)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、実施例1で用いた添加剤(i)〜(vi)を実施例1と同じ方法で添加混合し、それぞれ粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は、いずれも真球状であり、安息角は38°であった。
<比較例7>
表4に記載した処方に従って、以下の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製した。
<HDAのMEKケチミン化物の製造>
HDAと過剰のMEK(ジアミンに対して4倍モル量)を80℃で24時間還流させながら生成水を系外に除去した。その後減圧で未反応のMEKを除去し、HDAのMEKケチミン化物を得た。
(1)第1工程:
攪拌機、温度計、冷却器および窒素ガス導入管を備えた容量3Lの反応器に、実施例1と同様のPBA−1000:254.2gと、PBEA−2600:254.2g、PHiP−1000:169.5g、PHoP−1500:169.5gを90℃で混合した。
液温を65℃まで冷却し、一官能活性水素基含有化合物であるジ−2−エチルヘキシルアミン13.8gを添加後さらに混合し、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)138.7gと、ビスマス系触媒「ネオスタン U−600」(日東化成(株)製)0.050gとを添加し、まず65℃で15分、引き続き80〜90℃で3時間にわたり反応させた。
イソシアネート含量が設計値である1.36%となり、反応が完結したことを確認して、イソシアネート基含有プレポリマーを得た。
次いでイソシアネート基含有プレポリマーを60℃に冷却した後、HDAのMEKケチミン化物36.3gと、分散安定剤溶液(1)42.9g、およびMEK177gを加えて均一に混合して、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整した。
MEKの量は、ケチミン化したものを含めて、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して20%に相当する量である。また、分散安定剤溶液(1)の量は、得られたイソシアネート基含有プレポリマーに対して3.0%に相当する量である。
(1)第2工程:
第1工程で得られたイソシアネート基含有プレポリマー溶液を60℃に調節し、プライミクス(株)製ホモミクサー(機械式強制分散機)を用いて8000rpmの回転数で2分間混合し、60℃に調整した2333gの温水中に分散させた。
この混合物を温度計、撹拌機及び窒素吹込み管を備えた反応容器に移し、撹拌しながら60℃で10時間反応させた。
この比較例7は、実施例1で鎖延長剤に使用した水に代えて、HDAのMEKケチミン化物を使用した比較例である。また、比較例6で鎖延長剤として用いたHDAと同モル数のHDAのMEKケチミン化物を使用した比較例でもあり、HDAのMEKケチミン化物が水と接触して生じる活性水素基のモル数(イソシアネート基とウレア化反応するモル数)をx2’ ’とすると、比率〔(x1+x2’ ’)/A〕は0.30であり、比率(x1/x2’ ’)は15/85である。
(2)第3工程:
第2工程で得られたポリウレタンウレア樹脂の分散液から固形分(ポリウレタンウレア樹脂)を濾別し、これに、実施例1で用いた添加剤(i)〜(vi)を実施例1と同じ方法で添加混合し、それぞれ粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gを調製した。得られた樹脂の形状は、いずれも真球状であり、安息角は37°であった。
<実施例18〜20>
下記表5に記載した処方に従って、実施例1と同様の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
Figure 2007204693
実施例18〜20は、比率〔(x1+x2)/A〕、比率(x1/x2)の値を実施例3と同じ値に設定し、一官能活性水素化合物の種類を変更した実施例である。
実施例18ではn−ブタノール(炭化水素基の炭素数4)を、実施例19ではn−オクタノール(炭化水素基の炭素数8)を、実施例20ではラウリルアルコール(炭化水素基の炭素数12)を用いている。
それぞれ得られた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gの形状は、いずれも真球状であり、安息角は26〜29°であった。
<比較例8〜10>
下記表5に記載した処方に従って、実施例1と同様の第1工程乃至第3工程を経て、粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々を調製した。
比較例8〜10は、比率〔(x1+x2)/A〕、比率(x1/x2)の値を実施例3と同じ値に設定し、一官能活性水素化合物の種類を変更した実施例である。
比較例8ではジトリデシルアミン(炭素数13の炭化水素基が2モル)を、比較例9ではエタノール(炭化水素基の炭素数2)を、実施例10ではテトラデカノール(炭化水素基の炭素数14)を用いている。
それぞれ得られた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂約1000gの形状は、いずれも真球状であり、安息角は27〜30°であった。
<粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の評価>
実施例1〜20および比較例1〜10により得られた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々について、下記の項目について測定および評価した。結果を下記表6〜表10に示す。
(1)分子量測定:
GPC測定により、難溶融性物質(Mnが50万以上の成分)の割合(測定チャートにおけるピーク面積比率)、難溶融性物質を除いた成分における数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を求めた。測定条件は下記のとおりである。
・測定器:「HLC−8120」(東ソー(株)製)
・カラム:「TSKgel MultiporeHXL-M 」(東ソー(株)製)
粒径=5μm、サイズ=7.8mmID×30cm×4本
・キャリア:テトラヒドロフラン(THF)
・検出器:視差屈折
・サンプル:THF/n−メチルピロリドン=2/1の1%溶液
・検量線:標準ポリスチレン
(2)平均粒径:
レーザー式粒度分析計「マイクロトラック HRA」(日機装(株)製)にて測定した体積分率粒径分布カーブにおける50%の累積パーセントの値を求めた。
(3)溶融成形性(レベリング性):
230℃に加熱した金型に粉末ポリウレタン樹脂を10秒間熱溶融させ、未溶融の粉末を除去し、300℃のオーブン内で45秒間放置した後、水冷するスラッシュ成形により、厚さ1mmの成形シートを作製した。このようにして得られたシートの溶融状態を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(評価基準)
「◎」:溶融不良は認められない。
「○」:目立たない程度の溶融不良が多少認められる。
「×」:溶融不良がかなり認められる。
(4)溶融成形性(ピンホールの状態):
上記(3)により得られたシートの表面におけるピンホールの有無および程度を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(評価基準)
「◎」:ピンホールは認められない。
「○」:目立たない程度のピンホールが多少認められる。
「×」:ピンホールがかなり認められる。
(5)溶融成形性(脱型時のグリーン強度発現性):
上記(3)により得られたシートの脱型時における変形の有無および程度を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(評価基準)
「◎」:変形は認められない。
「○」:僅かな変形が認められる。
「×」:明らかに変形が認められる。
(6)成形物の耐折れ皺性:
上記(3)により得られたシートを、脱型後30秒間放置し、180°折り曲げた状態で30秒間保持し、これを拡開して24時間静置した後、折り曲げられた部分を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(評価基準)
「◎」:折れ皺は認められない。
「○」:目立たない程度の折れ皺が多少認められる。
「×」:折れ皺が明確に認められる。
(7)成形物表面の耐摩耗性:
上記(3)により得られたシートについて、往復運動平面磨耗試験機を用いて、下記の条件で100往復の試験を行い、シート表面の状態を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(条件)
・往復速度=40回/分
・摩擦子:30mm×12mm
・荷重=29.4N
・磨耗材:白綿かなきん3号を5枚積重したもの
「◎」:損傷は認められない。
「○」:目立たない程度の損傷が多少認められる。
「×」:損傷が顕著に認められる。
(8)成形物の機械的特性:
上記(3)により得られたシートについて、JIS K 6251〜6252に準じて引張試験および引裂試験を行い、引張強度、破断のびおよび引裂強度を測定した。
(9)成形物の耐ブルーミング性:
上記(3)により得られたシートを50℃の水中に48時間浸漬した後、これを乾燥し、表面におけるブルーミングの有無および程度を目視により観察し、下記の基準に従って評価した。
(評価基準)
「◎」:ブルーミングは認められない。
「○」:ブルーミングが僅かに認められる。
「×」:ブルーミングが顕著に認められる。
(10):残留アミン
各実施例および比較例において、第3工程での濾別が終わった後、濾液である水中にアミンが残留しているか否かを、以下の手法を用いて確認した。
(i) 濾液を10g精秤する。
(ii) 濾液に少量の指示薬を添加し、0.01Nの塩酸で滴定する。
(評価基準)
「◎」:アミンの残留が認められない(0.05mol未満/L)。
「×」:アミンの残留が認められる(0.05mol以上/L)。
(11):残留イソシアネート
各実施例および比較例において、第3工程での濾別が終わった後、分離晶(ウェットケーキ)10gを、N,N−ジメチルホルムアミド100gに90℃で溶解させ、残存するイソシアネート基の有無をFT−IRを用いて確認した。なお、イソシアネート基は、2200cm−1付近に特異的に吸収が現れるため、容易に判別可能である。
(評価基準)
「◎」:イソシアネート基の残留が全く認められない。
「×」:イソシアネート基の残留が認められる。
(12):耐ブロッキング性(吸湿性)
各実施例および比較例において、得られた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の各々について、高温多湿条件下での粉末のブロッキング(凝集固化)の程度を確認した。
(i) 1000mlのステンレス製カップに500gの粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を仕込む。
(ii) 50℃/95%RHの環境下に48時間放置する。
(iii) サンプルを恒温恒湿槽から取り出し、25℃/50%RHの環境に24時間放置する。
(iv) 粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の流動性を以下の指標により評価した。
(評価基準)
「◎」:粉末の流動性は、試験前と変化していない。
「○」:粉末の流動性は、試験前より僅かに低下している。
「×」:粉末がステンレス容器の中で凝集固化しており、粉末の流動性が失われている。
Figure 2007204693
Figure 2007204693
Figure 2007204693
Figure 2007204693
Figure 2007204693
<各比較例の補足説明>
<比較例1>
比較例1では、比率(x1+x2)/A(=0.2)が請求範囲未満となっているために、耐折れジワ性や耐磨耗性が許容限度を下回っており、実用的でないことが分かる。
<比較例2>
比較例2では、比率(x1+x2)/A(=1.7)が請求範囲を超えているために、得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂の溶融性が許容限度を下回っており、実用的でないことが分かる。
<比較例3>
比較例3では、比率x1/x2(=3/97)が請求範囲を下回っているために、得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂の数平均分子量が過大となり、結果として溶融性が許容限度を下回るため、実用的でない。
<比較例4>
比較例4では、比率x1/x2(=40/60)が請求範囲を超えているために、得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂の数平均分子量が過小となり、耐折れジワ性や耐磨耗性が許容限度を下回るため、実用的でない。
<比較例5>
比較例5では、イソシアネート基含有プレポリマー溶液を製造する際に添加するPL−PB(可塑剤)の量が好ましい範囲を超えている。このために樹脂の強度が大幅に低下し、この結果として、耐折れジワ性や耐磨耗性が許容限度を下回るため、実用的でない。
<比較例6>
比較例6では、実施例1でイソシアネート基含有プレポリマーと反応する水を、同じモル数のHDAに置き換えた比較例である。HDAはイソシアネート基との反応性に富むために、プレポリマーへの練り込みが困難である。このため、まず分散媒である水中にHDAを強制的に分散させた懸濁液を準備し、次いで別容器にイソシアネート基含有プレポリマー溶液が水中に分散した懸濁液を準備し、両者を撹拌混合することでポリウレタンウレア樹脂の分散液を製造した。
この比較例6では、HDAとイソシアネート基含有プレポリマーの反応が不均一に進行するため、高品質の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を得ることができない。具体的には、イソシアネート基含有プレポリマー粒子の表面だけでHDAとの鎖延長反応が進行し、粒子内部では鎖延長反応がほとんど進行しないことが推定できる。これを裏付けるために、第3工程の固液分離工程で取り出した「濾液」中のアミンの量を測定すると、明らかにHDAが残留していることが確認できた。また、「濾過晶」をN,N−ジメチルホルムアミドで溶解し、FT−IRで測定したところ、樹脂中にイソシアネート基が残留していることが確認できた。分散媒中にはHDAが残留し、粒子中にはイソシアネート基が残存しているという事実から、反応が設計通りに完結していないことが明らかである。
さらに、樹脂中の残存イソシアネート基によって、得られた粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂は高温高湿度の環境下で容易に変質し、ブロッキング不良を併発する危険を指摘することができる。
<比較例7>
比較例7では、実施例1でイソシアネート基含有プレポリマーと反応する水を、同じモル数のHDAのMEKケチミン化物に置き換えた比較例である。HDAのMEKケチミン化物は、そのままの状態ではイソシアネート基と反応しないため、プレポリマーへの練り込みが可能である。このため、まずイソシアネート基含有プレポリマー溶液を調整する際に予めこの中にHDAのMEKケチミン化物を練りこんだ上で水中に分散/反応させ、ポリウレタンウレア樹脂の分散液を製造した。
この比較例7でも、前記比較例6と同様にHDAの残留が確認されており、反応が設計通りに完結していないことが明らかである。また、分離晶の表面にHDAが僅かでも残留すると、得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の品質が著しく悪化するため、分離晶を充分に洗浄(リンス)することが必要となる。
<比較例8>
比較例8の(x1+x2)/Aの値(=0.9)、x1/x2の値(=15/85)は実施例3と同一であるが、一官能活性水素化合物として実施例3で使用したジ−2エチルヘキシルアミンの代わりに、ジ−トリデシルアミンを使用した例である。ジ−トリデシルアミンは、炭素数13の炭化水素基が2モル付加された2級アミンであり、炭素数が本発明の請求範囲上限を超えている。このために、得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂を用いて成形した成形品の耐ブルーミング性が著しく悪化しており、実用的でないことが分かる。
<比較例9>
比較例9の(x1+x2)/Aの値(=0.9)、x1/x2の値(=15/85)は実施例3と同一であるが、一官能活性水素化合物として実施例3で使用したジ−2エチルヘキシルアミンの代わりに、エタノール(炭化水素基の炭素数2)を使用した例であり、炭素数が本発明の請求範囲下限を超えている。沸点が低いため、一官能活性水素化合物としてふさわしくない例である。つまり、第一工程で本来イソシアネート基と反応すべきエタノールが蒸発して反応容器内の気相に滞留してしまうために、イソシアネート基含有プレポリマーの反応率がロット毎にばらついてしまい、結果的に得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂の数平均分子量を安定的に制御することができない(表10の※1参照)。
<比較例10>
比較例10の(x1+x2)/Aの値(=0.9)、x1/x2の値(=15/85)は実施例3と同一であるが、一官能活性水素化合物として実施例3で使用したジ−2エチルヘキシルアミンの代わりに、テトラデカノール(炭化水素基の炭素数14)を使用した例であり、炭素数が本発明の請求範囲上限を超えている。このために、得られた粉末状ポリウレタンウレア樹脂を用いて成形した成形品の耐ブルーミング性が著しく悪化しており、実用的でないことが分かる。
本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂は、分子量を安定的に制御することが可能で、熱成形時の溶融性や機械強度/耐摩耗性などを高次元でバランスさせることが可能である。
また、反応が完全に完結しているために変質やブロッキングの心配がなく、人体に悪影響のあるアミン化合物やイソシアネート基の残存がないという特長がある。
特に本発明の製造方法により得られる粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂は、スラッシュ成形用の粉末材料として好適である。当該ポリウレタンウレア樹脂によるスラッシュ成形物は、特に自動車の内装材として好適であり、またソファー等の室内家具の表皮材料としても有用である。

Claims (6)

  1. 以下の第1工程乃至第3工程を含む、粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を製造する方法であって、
    第1工程において有機ポリイソシアネートと反応する高分子ポリオールの有する活性水素基のモル数をA、イソシアネート基の一部と反応する炭素数4〜12の一官能の活性水素基含有化合物の有する活性水素基のモル数をx1、第2工程においてイソシアネート基の残部と反応する水の有する活性水素基のモル数をx2とするとき、比率〔(x1+x2)/A〕が0.3〜1.5であり、比率(x1/x2)が5/95〜35/65であることを特徴とする粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
    第1工程:高分子ポリオールと炭素数が4〜12の炭化水素基とを有する一官能の活性水素基含有化合物とを、有機ポリイソシアネートと反応させて、イソシアネート基含有プレポリマーを調製する工程。
    第2工程:イソシアネート基含有プレポリマーを分散安定剤の存在下で水中に分散させた後、イソシアネート基含有プレポリマーの有するイソシアネート基の残部を、水の有する活性水素基と反応させてポリウレタンウレア樹脂の分散液を調製する工程。
    第3工程:得られた分散液からポリウレタンウレア樹脂を分離・乾燥して、粉末状の熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を調製する工程。
  2. 前記イソシアネート基含有プレポリマー中に、実質的にこれを溶解させることが可能な有機溶剤、及び/又は、可塑剤を含むことを特徴とした請求項1記載の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
  3. 前記比率〔(x1+x2)/A〕が0.3〜1.2であり、比率(x1/x2)が5/95〜20/80であることを特徴とする請求項1または2に記載の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
  4. 前記比率〔(x1+x2)/A〕が0.75〜1.5であり、比率(x1/x2)が10/90〜35/65であることを特徴とする請求項1または2に記載の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
  5. 第1工程で使用する有機ポリイソシアネートがヘキサメチレンジイソシアネートであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
  6. スラッシュ成形用の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂を製造することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の粉末状熱可塑性ポリウレタンウレア樹脂の製造方法。
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