JP2008133342A - エマルジョンコーティング剤組成物及びそれを被覆した物品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(A)X-[R2Si-O-]m-R2Si-X (Rは炭素数1〜20の1価炭化水素基及び/又はアリール基から選ばれる同一又は異種の基であり、Xは加水分解性基及び/又はOH基、mは3〜100の自然数)で表される両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの混合物を加水分解及び/又は縮合して得られ、-[R2Si-O-]m+1-(R及びmは前記両末端反応性シリコーンオイルを示す式中のR及びmとそれぞれ同一)で示される直鎖状の連続構造を含むオルガノシリコーンレジンであって、該オルガノシリコーンレジン中の全Si原子のうち5〜60モル%が前記直鎖状の連続構造を構成するオルガノシリコーンレジン、(B)乳化剤、(C)水を含有する。
【選択図】なし
Description
このようなコーティング剤用シリコーンレジンとして、ポリオルガノシロキサン又はその粒状物を、界面活性剤を用いて水中に分散させたものが開示されている(特許文献1、2参照)。又、シリコーンレジンを艶出し剤や離型剤に用いたものとして、オルガノポリシロキサンを水性エマルジョンにしたものが開示されている(特許文献3,4参照)。
しかしながら、上記特許文献1〜4記載の技術の場合、被膜の硬度と柔軟性を共に満足するシリコーンレジンが得られない。例えば、特許文献3記載の技術においては、両末端がSiOHであるシリコーンオイルとアルコキシシランとを塩基性触媒によって平衡化させ、軟質のシリコーン樹脂を得ている。この場合、アルカリ平衡によってシリコーン樹脂が製造されるため、分枝度があまり大きくならず、シリコーン被膜が硬質にならない。又、アルカリ平衡化の際に上記シリコーンオイルの直鎖構造が切断されるので、シリコーン被膜の硬度が一定にならないという問題もある。
すなわち、上記の目的を達成するために、本発明のエマルジョンコーティング剤組成物は、(A)X-[R2Si-O-]m-R2Si-X (Rは炭素数1〜20の1価炭化水素基及び/又はアリール基から選ばれる同一又は異種の基であり、Xは加水分解性基及び/又はOH基、mは3〜100の自然数)で表される両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの混合物を加水分解及び/又は縮合して得られ、-[R2Si-O-]m+1-(R及びmは前記両末端反応性シリコーンオイルを示す式中のR及びmとそれぞれ同一)で示される直鎖状の連続構造を含むオルガノシリコーンレジンであって、該オルガノシリコーンレジン中の全Si原子のうち5〜60モル%が前記直鎖状の連続構造を構成するオルガノシリコーンレジン100質量部、(B)乳化剤1〜50質量部、(C)水25〜2,000質量部を含有してなる。
(A)成分であるオルガノシリコーンレジン中の有機置換基のうち、CH3-基の割合が50〜100モル%であることが好ましい。
(A)成分であるオルガノシリコーンレジンの分子末端が、シラノール(SiOH)基及び/又はアルコキシ(SiOR')基 (R'は炭素数1〜6の炭化水素基及び/又はフェニル基を表す)であることが好ましい。
(D)成分がブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル又はプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートであることが好ましい。
(A)成分は、X-[R2Si-O-]m-R2Si-X (Rは炭素数1〜20の1価炭化水素基及び/又はアリール基から選ばれる同一又は異種の基であり、Xは加水分解性基及び/又はOH基、mは3〜100の自然数)で表される両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの混合物を加水分解及び/又は縮合して得られ、-[R2Si-O-]m+1-(R及びmは前記両末端反応性シリコーンオイルを示す式中のR及びmとそれぞれ同一)で示される直鎖状の連続構造を含むオルガノシリコーンレジンであって、該オルガノシリコーンレジン中の全Si原子のうち5〜60モル%が前記直鎖状の連続構造内に存在する。
両末端反応性シリコーンオイルであるX-[R2Si-O-]m-R2Si-X中のRとして具体的には、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチルなどのアルキル基;フェニル、トリル、ナフチル、フェニルエチルなどのアリール基などが挙げられる。
両末端反応性シリコーンオイル中のR基のうち、CH3-基の割合が50〜100モル%であることが望ましい。CH3-基の割合が50モル%未満であると、得られたシリコーン被膜にクラックが生じ易くなって耐候性が低下する傾向にある。
上記した両末端反応性シリコーンオイルに対し、シラン及び/又はシリコーンを混合して加水分解及び/又は縮合することにより、(A)成分を製造する。上記したシラン及び/又はシリコーンとしては、R3SiX、R2SiX2、RSiX3、SiX4等(Rとしては炭素数1〜20の1価炭化水素基及び/又はアリール基から選ばれる同一又は異種の基を好適に用いることができ、Xとしては加水分解性基を好適に用いることができる)の構造を有する加水分解性シラン化合物、これらの加水分解性基が加水分解してSiOHとなったSiOH体、及び部分加水分解・縮合体となったオリゴマー体を使用することができる。
(A)成分の合成方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、(i)上記した両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの混合物を、メタノール、エタノール、メチルエチルケトン、ヘキサン、又はトルエン等の有機溶剤中で(部分)共加水分解する方法、(ii)溶媒を用いずに上記混合物を(部分)共加水分解する方法(iii)上記した両末端反応性シリコーンオイル、並びに上記シラン及び/又はシリコーンにおいて、それぞれ加水分解性基がSi-Cl基であるシリコーン材料と、(水+アルコール)の混合液とを脱塩酸法で反応させる方法、(iv)上記した両末端反応性シリコーンオイル、並びに上記シラン及び/又はシリコーンを(例えば(i),(iii)の方法で)加水分解・縮合させて鎖状構造を含むSiOH基末端のオルガノシリコーンレジンを得、このオルガノシリコーンレジンとアルコキシシランとを反応させてSiOR基(Rは有機置換基)末端に変化させる方法、などを挙げることが出来るがこれらに限定されるものでは無い。
オルガノシリコーンレジン中の全Si原子のうち5〜60モル%が前記直鎖状の連続構造を構成すると、オルガノシリコーンレジンに可撓性を付与することができる。上記したSi原子の割合が5モル%未満であると、シリコーンレジンの可撓性が充分でなく、60モル%を超えると、得られたシリコーン被膜が柔軟になり過ぎ、表面保護機能が発現しなくなる。更に好ましくは、上記したSi原子の割合を10〜50モル%とするのが良い。オルガノシリコーンレジン中の上記したSi原子の割合は、両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの仕込み割合から求めることができる。これは、両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの反応が加水分解・縮合によるため、これら原料の仕込み割合が反応後の生成物にそのまま反映されるからである。
なお、(A)成分の末端がSiOH基である場合、有機溶剤を含まない水に溶解させないと(A)成分が不安定となる傾向にある。従って、後述する水混和性有機溶剤((D)成分)を水と併用すると、(A)成分の安定性を確保する目的から好ましい。一方、(A)成分の末端がSiOR'基である場合、有機溶剤を含まない水に溶解させても安定してエマルジョン化させることができ、有機溶剤を用いる必要がない。
(B)成分である乳化剤は、(A)成分を水(又は水と水混和性有機溶剤((D)成分)の混合溶媒)へ乳化分散させるためのものであれば特に制限はないが、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンプロピレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル等のノニオン系界面活性剤;アルキル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、アルキル燐酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩等のアニオン系界面活性剤;第4級アンモニウム塩、アルキルアミン酢酸塩等のカチオン系界面活性剤;アルキルベタイン、アルキルイミダゾリン等の両性界面活性剤等を挙げることができる。
これらの中でも安定性の面から、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンプロピレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルのようなノニオン系界面活性剤が(B)成分として好ましい。
(C)成分である水は溶媒(分散媒)として使用される。そして、(A)成分、(B)成分、及び(C)成分(さらに必要に応じて(D)成分)を混合し、常法に準じて乳化分散させることにより、本発明のエマルジョンコーティング組成物を調製することができる。
(C)成分の含有量は、(A)成分100質量部に対して25〜2,000質量部であり、50〜1,000質量部であることが好ましい。
上記したように、水混和性有機溶剤である(D)成分を水と併用してもよい。(D)成分はSP値(溶解度パラメーター)が8.0〜11.0である水混和性有機溶剤であり、(A)成分を乳化する際に流動性を持たせ、さらにエマルジョンの安定性を高めるものである。
(D)成分のSP値が8.0より小さいと(A)成分を水中に均一溶解することができず、SP値が11.0より大きいと、乳化した際のエマルジョンの安定性が低下する。SP値は好ましくは8.5〜10.5である。
又、(A)成分の末端がSiOH基である場合、(D)成分の含有量が2質量部より少ないと(A)成分の溶液の粘度が高くなってエマルジョン化が困難となるので、好ましくない。この場合、(D)成分の含有量は好ましくは3〜40質量部であり、より好ましくは5〜30質量部である。
以上のようにして得られたエマルジョンコーティング組成物の不揮発分(固形分)は、5〜80質量%であることが好ましく、特に10〜70質量%であることが好ましい。
又、得られたエマルジョンの平均粒径は、50〜1,000nmであることが好ましく、特に100〜800nmであることが好ましい。エマルジョンの平均粒径は粒度分布測定装置(例えば、コールター社製の粒度分布測定装置N4Plus)により測定することができる。
縮合触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、ナトリウムメチラート、カリウムメチラート、n−ヘキシルアミン、トリブチルアミンなどが挙げられる。縮合触媒の添加量は、(A)成分100質量部に対して0.01〜5質量部であることが好ましく、特に0.1〜3質量部であることが好ましい。
本発明のエマルジョンコーティング組成物は、金属、セラミック系無機材料、ガラス、木材、紙製品、プラスチック等の透明又は不透明な基材表面に塗布し、室温又は加熱して硬化させることにより硬化保護被膜を形成することができる。この硬化保護被膜は、高硬度で可撓性に富み、接着性、耐候性も良好であり、更に撥水性も付与することができるので、金属、セラミック、木材等の外装建材の下地処理剤、トップコート剤等の塗料、プレコートメタル等の金属表面の保護コート剤、電子写真用キャリアの帯電調節コート剤、又は接着剤等に適している。
基材がプラスチックの場合、プラスチック板、磁気又は感熱性記録用フィルム、包装用フィルム、ビニルクロス等の表面保護コーティング、及び機能付与用バインダーとして本発明の組成物を好適に使用することができる。
基材が無機材料の場合、モルタル、コンクリート、セメント製の外装用壁材又は窯業パネル、ALC板、サイジングボード、石膏ボード、レンガ、ガラス、陶磁器、人工大理石等の表面保護コーティング、及び表面処理用塗料として本発明の組成物を適用することができる。
また、本発明の組成物を接着剤のベースポリマーとしても使用することができ、他の有機樹脂又はシランカップリング剤等を添加することにより、異種の基材間の接着に有効な接着剤を得ることができる。
本発明のエマルジョンコーティング組成物の基材への塗布方法としては、浸漬法、スプレー法、ロールコート法、はけ塗り法等、従来公知の各種塗装法が可能である。エマルジョンコーティング組成物の塗布量は特に制限されないが、通常、乾燥後の被膜厚さが0.1〜1,000μm、特に1〜100μmとなる量である。
なお、エマルジョンコーティング組成物を未硬化のまま保護被膜的に使用する場合、塗布後の基材を室温下に放置し、水分(必要に応じてさらに(D)成分)を揮発させるだけでよい。一方、室温硬化で架橋を進め、高硬度被膜とする場合には、エマルジョン組成物に縮合触媒を添加し、これを塗布した基材を室温下で0.1〜30日放置すれば良好な硬化被膜が得られる。また、加熱硬化で架橋を進め、高硬度被膜とする場合には、エマルジョン組成物に触媒を添加せず又は縮合触媒を添加し、これを塗布した基材を50〜300℃の温度範囲で0.5分〜200時間維持することで得られる。
Cl-[(CH3)2Si-O-]39-(CH3)2Si-Clで表される両末端反応性シリコーンオイル、並びにC6H5-SiCl3、CH3-SiCl3及び(C6H5)2-SiCl2からなるクロルシラン混合物にトルエンを加えて加水分解・縮合を行い、さらに副生するHClを水洗して除去し、50%トルエン溶液を調製した。両末端反応性シリコーンオイルとクロルシラン混合物との仕込み割合は、これらが加水分解・縮合してオルガノシリコーンレジンが生成すると仮定し、この場合のオルガノシリコーンレジン中のSi原子のうち、20モル%が-[(CH3)2Si-O-]40-で表される直鎖状の連続構造を構成するように決定した。なお、この場合、オルガノシリコーンレジンの平均組成式は[C6H5-SiO3/2]0.20[CH3-SiO3/2]0.50[(C6H5)2-SiO2/2]0.10[(CH3)2SiO2/2]0.20 で表され、質量平均分子量が3,800で、分子末端がSiOHとなる。
このトルエン溶液1kgと、(D)成分であるブチルセロソロブアセテート(SP値8.9)125gとを減圧装置付き蒸留装置に装入し、60℃、3999Pa(30mmHg)の条件でトルエンを留去した。残液を3時間放置後にガスクロマトグラフィ測定を行った結果、残液中のトルエン含有量は0%、ブチルセロソロブアセテート含有量は20.0%であった。又、このオルガノシリコーンレジンのブチルセロソルブアセテート溶液の不揮発分は80.0%であった。
CH3O-[(CH3)2Si-O-]29-(CH3)2Si-OCH3で表される両末端反応性シリコーンオイル、並びにC6H5-Si(OCH3)3及びCH3-Si(OCH3)3からなるアルコキシシラン混合物を部分加水分解・縮合させた。両末端反応性シリコーンオイルとアルコキシシラン混合物との仕込み割合は、これらが加水分解・縮合してオルガノシリコーンレジンが生成すると仮定し、この場合のオルガノシリコーンレジン中のSi原子のうち、50モル%が-[(CH3)2Si-O-]30-で表される直鎖状の連続構造を構成するように決定した。なお、この場合、オルガノシリコーンレジンの平均組成式は[C6H5-SiO3/2]0.30[CH3-SiO3/2]0.20 [(CH3)2SiO2/2]0.50で表され、質量平均分子量が4200で、分子末端がSiOCH3となる。
Cl-[(CH3)2Si-O-]29-(CH3)2Si-Clで表される両末端反応性シリコーンオイル、並びに(CH3)2-SiCl2、CH3-SiCl3及びSi-(OC2H5)4からなるシラン混合物にトルエンを加えて加水分解・縮合を行い、さらに副生するHCl及びEtOHを水洗して除去し、50%トルエン溶液を調製した。両末端反応性シリコーンオイルとシラン混合物との仕込み割合は、これらが加水分解・縮合してオルガノシリコーンレジンが生成すると仮定し、この場合のオルガノシリコーンレジン中のSi原子のうち、20モル%が-[(CH3)2Si-O-]30-で表される直鎖状の連続構造を構成するように決定した。なお、この場合、オルガノシリコーンレジンの平均組成式が [CH3-SiO3/2]0.65[(CH3)2SiO2/2]0.30[SiO4/2]0.05 で表され、質量平均分子量が4400で、分子末端がSiOHとなる。
Cl-[(CH3)2Si-O-]39-(CH3)2Si-Clで表される両末端反応性シリコーンオイルの代わりに、(CH3)2Si-Cl2を用いたこと以外は、実施例1とまったく同様にしてオルガノシリコーンレジンのブチルセロソルブアセテート溶液を製造した。この場合、(CH3)2Si-Cl2と上記クロルシラン混合物とを共加水分解しているため、反応時に各成分は均一に導入され、生成物であるオルガノシリコーンレジン中に直鎖状の連続構造は含まれない。
なお、(CH3)2Si-Cl2と上記クロルシラン混合物との仕込み割合は、これらが加水分解・縮合してオルガノシリコーンレジンが生成すると仮定し、この場合のオルガノシリコーンレジンの平均組成式が実施例1と同一([C6H5-SiO3/2]0.20[CH3-SiO3/2]0.50[(C6H5)2-SiO2/2]0.10[(CH3)2SiO2/2]0.20)で表されるように決定した。このレジンの質量平均分子量は3900で、分子末端はSiOHとなる。
上記オルガノシリコーンレジンの50%トルエン溶液を用い、実施例1とまったく同様にして乳化を行い、白色のエマルジョンコーティング剤組成物Dを得た。このものの平均粒径を粒度分布測定装置(コールター社製の製品名N4Plus)で測定したところ220nmであり、室温で1ヶ月放置後も分離はみられなかった。
実施例2で用いた両末端反応性シリコーンオイルの代わりに、HO-[(CH3)2Si-O-]29-(CH3)2Si-OHで表される両末端反応性シリコーンオイルを用い、KOHを塩基性触媒として用いて平衡化を行った。この反応は上記した加水分解・縮合とは異なり、得られたシリコーン樹脂はアルコキシ基量が多いため、重合度が2〜10程度のアルコキシ末端のオリゴマー成分を主成分として含み、平均重合度が150以上のジメチルポリシロキサンを少量含む混合物であった。重合度はGPC(ゲル浸透クロマトグラフィ)により測定した。このように、このシリコーン樹脂は直鎖構造を含むがその重合度が150以上である。
上記生成物の50%トルエン溶液を用い、実施例1とまったく同様にして乳化を行い、白色のエマルジョンコーティング剤組成物Eを得た。このものの平均粒径を粒度分布測定装置(コールター社製の製品名N4Plus)で測定したところ240nmであり、室温で1ヶ月放置後に分離がみられた。
各実施例及び比較例で得られたエマルジョンコーティング剤組成物A〜Eを硬化させた硬化被膜を以下の手順で評価した。
まず、各エマルジョンコーティング剤組成物を、表面が清浄な磨き鋼板に硬化後膜厚が約50μmになるように塗工し、表1に示す条件で硬化させた。
得られた硬化被膜の透明性を目視で判定し、無色透明なものを〇、半透明なものを△、白濁したものを×とした。又、硬化被膜の硬度を、JIS K5600に準ずる引っかき硬度(鉛筆法)で測定した。
硬化被膜の付着性は、セロハンテープ(登録商標)を使用する付着性(クロスカット法)試験で行った。クロスカット法は、被膜にカッターナイフで10×10個のマス目状の切り込みを入れた後、セロハンテープ(登録商標)を被膜に貼付し、このテープを引き剥がした際に被膜側に残ったマス目の数を数え挙げる方法であり、表1において100/100であれば、100マスが全て残存したことを表し、付着性が良好であると判断できる。
得られた結果を表1に示す。なお、実施例1,2の場合、エマルジョンコーティング剤組成物を硬化させるため、表1に示す硬化触媒を用いた。
一方、A成分であるオルガノシリコーンレジン中に直鎖状の連続構造を含まない比較例1の場合、耐候性に劣った。これは、被膜の可撓性が低下してクラックが発生し易くなったためと考えられる。
又、比較例2の場合、硬化被膜の透明性、硬度及び耐候性が劣化した。これは、アルカリ平衡によってシリコーン樹脂が製造されるため、シリコーンオイルの直鎖構造が切断されてシリコーン被膜の硬度が一定にならず、被膜が不均一になったためと考えられる。
Claims (6)
- (A)X-[R2Si-O-]m-R2Si-X (Rは炭素数1〜20の1価炭化水素基及び/又はアリール基から選ばれる同一又は異種の基であり、Xは加水分解性基及び/又はOH基、mは3〜100の自然数)で表される両末端反応性シリコーンオイルと、シラン及び/又はシリコーンとの混合物を加水分解及び/又は縮合して得られ、-[R2Si-O-]m+1-(R及びmは前記両末端反応性シリコーンオイルを示す式中のR及びmとそれぞれ同一)で示される直鎖状の連続構造を含むオルガノシリコーンレジンであって、該オルガノシリコーンレジン中の全Si原子のうち5〜60モル%が前記直鎖状の連続構造を構成するオルガノシリコーンレジン100質量部、
(B)乳化剤1〜50質量部、
(C)水25〜2,000質量部
を含有してなるエマルジョンコーティング剤組成物。 - 更に、(D)SP値が8.0〜11.0である水混和性有機溶剤0〜50質量部を含有し、(D)成分以外の有機溶剤を実質的に含有しない請求項1記載のエマルジョンコーティング剤組成物。
- (A)成分であるオルガノシリコーンレジン中の有機置換基のうち、CH3-基の割合が50〜100モル%である請求項1又は2記載のエマルジョンコーティング剤組成物。
- (A)成分であるオルガノシリコーンレジンの分子末端が、シラノール(SiOH)基及び/又はアルコキシ(SiOR')基 (R'は炭素数1〜6の炭化水素基及び/又はフェニル基を表す)である請求項1〜3のいずれかに記載のエマルジョンコーティング剤組成物。
- (D)成分がブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル又はプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートである請求項1〜4のいずれかに記載のエマルジョンコーティング剤組成物。
- 基材表面に請求項1〜5のいずれかに記載のエマルジョンコーティング剤組成物の硬化物を被覆してなる物品。
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