JP2014148618A - 水性分散体およびこれを用いてなる水性コーティング剤組成物、ならびに被膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリエステル樹脂(A)およびビニル系ポリマー(B)を(A)/(B)=99/1〜80/20の質量比率で含有する複合樹脂を水性媒体に分散した水性分散体であって、ポリエステル樹脂(A)の数平均分子量が5000〜50000、酸価が3mgKOH/g以上、ガラス転移温度が30℃以下であることを特徴とする水性分散体。
【選択図】なし
Description
特に、環境保護、消防法による危険物規制、職場環境の改善等の理由で、有機溶剤の使用が抑制される傾向にあるため、前記用途に使用できるポリエステル樹脂を、水性媒体に微分散させた、ポリエステル樹脂水性分散体の開発も進んでいる(特許文献1)。
また、これら水性分散体は、通常冷暗所で保管するものであり、例えば、夏場の暑い環境下で長期にわたって保管される場合、分散する固形成分が沈殿したり、沈殿は起こさないものの塗工時の造膜性が低下する等の問題があった。
また、特許文献3記載のような樹脂粒子は、高度に架橋したものであり、基材に塗布する際に、造膜性に劣った。
すなわち、本発明の要旨は下記の通りである。
(2)ポリエステル樹脂(A)が結晶性を有し、融点が100℃以下であることを特徴とする(1)の水性分散体。
(3)ポリエステル樹脂(A)を構成する酸成分としてテレフタル酸を15〜70モル%、アルコール成分として1,4−ブタンジオールを70〜100モル%含有することを特徴とする(1)または(2)の水性分散体。
(4)ビニル系ポリマー(B)がアクリル樹脂であることを特徴とする(1)〜(3)の水性分散体。
(5)ポリエステル樹脂(A)の微粒子の分散した水性媒体中で、ビニル系モノマーを乳化重合することを特徴とする(1)〜(4)の水性分散体の製造方法。
(6)(1)〜(4)の水性分散体を用いてなる水性コーティング剤組成物。
(7)(6)の水性コーティング剤組成物より得られる被膜。
本 発明の水性分散体は、ポリエステル樹脂(A)と、ビニル系ポリマー(B)を含有する複合樹脂を水性媒体に分散したものである。
家電製品、自動車用途等で好適に用いることができる。
なお、評価、測定方法は下記の通りである。
高分解能核磁気共鳴装置(日本電子社製、ECA500 NMR)を用いて、1H−NMR分析することにより、それぞれの共重合成分のピーク強度から樹脂組成を求めた(分解能:500MHz、溶媒:重水素化トリフルオロ酢酸、温度:25℃)。また、1H−NMRスペクトル上に帰属・定量可能なピークが認められない構成モノマーを含む樹脂については、封管中230℃で3時間メタノール分解をおこなった後に、ガスクロマトグラム分析に供し、定量分析をおこなった。
ポリエステル樹脂(A)を0.5g精秤し、水/1,4−ジオキサン=1/9(体積比)50mlに室温で溶解し、クレゾールレッドを指示薬として0.1Nの水酸化カリウムメタノール溶液で滴定し、中和に消費されたポリエステル樹脂(A)1gあたりの水酸化カリウムのmg数(mgKOH/g)を酸価とした。
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて以下の条件でポリスチレン換算の数平均分子量、重量平均分子量を測定した。
[送液ユニット]:島津製作所社製LC−10ADvp
[紫外−可視分光光度計]:島津製作所社製SPD−6AV、検出波長:254nm
[カラム]:Shodex社製KF−803 1本、Shodex社製KF−804 2本を直列に接続して使用
[溶媒]:テトラヒドロフラン
[測定温度]:40℃
上記の数平均分子量(Mnとする)、および重量平均分子量(Mwとする)より、分散度を以下の式により求めた。
分散度=Mw/Mn
ポリエステル樹脂(A)を10mg秤量し、入力補償型示差走査熱量測定装置(パーキンエルマー社製、Diamond DSC、検出範囲:−50℃〜200℃)を用いて、昇温速度10℃/分の条件で測定をおこない、得られた昇温曲線中の、低温側ベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状変化部分の曲線の勾配が最大となるような点で引いた接線との交点の温度を求め、ガラス転移温度とした。また、ポリエステル樹脂(A)を10mg秤量し、前記装置を用いて、窒素気流中、−50℃から昇温速度20℃/分で、200℃まで昇温し、昇温時の融解温度のピークをポリエステル樹脂(A)の融点とした。
水性分散体を約1g秤量(X1gとする)し、これを150℃で2時間乾燥した後の残存物の質量を秤量(Y1gとする)し、下記式により固形分濃度を求めた。
固形分濃度(質量%)=(Y1/X1)×100
pHメーター(堀場製作所社製F−21)を用いて、pH7およびpH9の標準緩衝液(ナカライテスク社製)により校正した後、測定温度25℃でポリエステル樹脂(A)分散体のpHを測定した。
水性分散体中の樹脂の濃度が0.1質量%になるように水で希釈し、レーザー回折式粒径測定装置(日機装社製、MICROTRAC UPA(モデル9340−UPA))を用いて、体積平均粒径、および数平均粒径を測定した。樹脂の屈折率は1.57、樹脂の密度は1.21g/cm3と設定した。
水性分散体を30g採取した後、50mLのガラス製サンプル瓶に密封し、25℃で90日保存した。保存後、サンプル瓶から上澄み液を採取し、固形分濃度を測定し、下記式より、沈殿物の割合を計算し、分散安定性の評価を行った。
沈殿物の割合(質量%)={保存前の固形分濃度(質量%)−保存後の固形分濃度(質量%)}/{保存前の固形分濃度(質量%)}
◎:0.1質量%未満
○:0.5質量%未満
△:1.0質量%未満
×:1.0質量%以上
××:該組成物が固化していて上澄みが採取できない。
(8)と同様に、水性分散体を30g採取した後、50mLのガラス製サンプル瓶に密封し、50℃で30日保存した。保存後、(8)と同様の基準にて、高温時の分散安定性の評価を行った。
下記手順により、各種被膜形成フィルムを得て、被膜の密着性の評価を行った。なお、被膜の厚みは、厚み計(ユニオンツール社製MICROFINE)を用いて、フィルムの厚みを予め測定しておき、水性分散体を用いてフィルム上に被膜を形成した後、この被膜を有する基材の厚みを同様の方法で測定し、その差により求めた。
(10)−1 被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの作製
水性分散体を、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム(ユニチカ社製S−50、厚さ50μm)のコロナ処理面に、それぞれ卓上型コーティング装置(安田精機社製フィルムアプリケータ;No.542−AB型、バーコータ装着)を用いてコーティングした後、80℃に設定された熱風乾燥機中で5分間乾燥させることにより、膜厚が3μmの被膜を形成した。
(10)−2 被膜形成アクリルフィルムの作製
水性分散体を、アクリルフィルム(三菱レイヨン社製アクリプレンHBS006、厚さ50μm)に、それぞれ卓上型コーティング装置(安田精機社製フィルムアプリケータ;No.542−AB型、バーコータ装着)を用いてコーティングした後、80℃に設定された熱風乾燥機中で5分間乾燥させることにより、膜厚が3μmの被膜を形成した。
(10)−3 被膜形成二軸延伸ポリプロピレンフィルムの作製
水性分散体を、二軸延伸ポリプロピレンフィルム(東レフィルム加工社製トレファン2500H、厚さ50μm)のコロナ処理面に、それぞれ卓上型コーティング装置(安田精機社製フィルムアプリケータ;No.542−AB型、バーコータ装着)を用いてコーティングした後、80℃に設定された熱風乾燥機中で5分間乾燥させることにより、膜厚が3μmの被膜を形成した。
(10)−1〜3で得た各被膜形成フィルムの被膜をJIS K−5600−5−6に準拠して、クロスカット法によって密着性を確認した。なお、「100/100」が、全く剥がれがなく、最も良い状態であり、「0/100」が、全てが剥がれ、最も良くない状態を示す。100/100〜80/100を合格とし、100/100〜90/100がより優れており、100/100〜95/100がさらにより優れており、100/100が最も優れていることを示す。
なお、(10)−1で得た被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムにおける、被膜密着性の評価が80/100以上であることが好ましく、(10)−1〜3で得たすべての被膜形成フィルムの被膜密着性の評価が80/100以上であることが最も好ましい。
前記(10)−1おいて作製した被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、および(10)−2において作製した被膜形成アクリルフィルムを被膜面同士が接触するように重ねて、ヒートプレス機(シール圧0.2MPaで10秒間)を用いて80℃でプレスし積層体を作製した。
その後、積層体を20℃、40%RHの雰囲気下で1日放置した後、25mm巾に切断し、引張試験機(インテスコ社製インテスコ精密万能試験機2020型)を用いて、20℃で引張速度50mm/分で180度剥離試験をおこない、剥離強度を測定した。
実用的には、プレスした積層体の剥離強度が、3.5N/25mm以上であることが好ましく、5.0N/25mm以上であることがより好ましく、7.0N/mm以上であることがさらに好ましい。
前記(10)−1において作製した被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを、60℃の蒸留水に浸漬させ、10日後に静かに引き上げ、風乾させた後、被膜の外観を目視にて観察し、以下の基準で密着性の評価をした。
○:外観変化がなかった。
△:一部分で表面が白く曇った。
×:表面状態が変化(表面全体が白く曇る、もしくは膨潤等)した。
前記(10)−1と同様の操作を行って得た膜厚1μmの被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの被膜形成面に、別の二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの非コロナ面を重ねた状態で500Paの荷重をかけ、38℃の雰囲気下で24時間放置後、25℃まで冷却した後、2枚のフィルムを手で剥がし、容易に剥がすことができるか否かにより下記のように分類し、耐ブロッキング性を評価した。
○:容易に剥がすことができ、全く融着跡が認められない。
△:剥がす際に若干の剥離音があるが、融着跡は認められない。
×:剥がす際にかなりの抵抗があり、融着跡が認められる。
前記(10)−1と同様の操作を行って膜厚3μmの被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを作製した。被膜の造膜性を下記評価にて確認した。
さらに、前記(9)で高温時の分散安定性を評価した水性分散体を用いて、前記(10)−1と同様の操作を行って膜厚3μmの被膜形成二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを作製した。被膜の造膜性を下記評価にて確認した。
○:クラック、微細な凹凸、白化等の外観不良のいずれもが認められない。
△:端部に若干の白化等の外観不良が認められるが、クラック、微細な凸凹等は認められず、実用に足るものである。
×:クラック、微細な凹凸、白化等の外観不良のいずれかが認められる。
調製例1〜9の手順により、実施例および比較例で用いるポリエステル樹脂(a1)〜(a9)を得た。
テレフタル酸1163g、イソフタル酸1412g、セバシン酸1920g、1,4−ブタンジオール2740gからなる混合物をオートクレーブ中で、220℃で4時間加熱してエステル化反応を行った。この時のモノマー成分の配合は、テレフタル酸:イソフタル酸:セバシン酸:1,4−ブタンジオール=28:34:38:122(モル比)とした。次いで、触媒としてテトラブチルチタネートを2.6g(全酸成分の合計1モルあたり3×10−4モル)添加した後、系の温度を230℃に昇温し、系の圧力を徐々に減じて1.5時間後に13Paとした。この条件下でさらに重縮合反応を続け、4時間後に系を窒素ガスで常圧にし、系の温度を下げ、220℃になったところでトリメリット酸を47g(全酸成分の合計1モルあたり0.006モル)添加し、220℃で2時間攪拌して解重合反応を行った。その後、系を窒素ガスで加圧状態にしておきシート状に払い出した。これを室温まで冷却し、シート状のポリエステル樹脂(a1)を得た。
仕込組成を、表1のように変更した以外は、ポリエステル樹脂(a1)と同様にして、ポリエステル樹脂(a2)〜(a9)をそれぞれ得た。なお、ポリエステル樹脂(a3)はストランド状に払出し、水冷後、カッティングして、直径約3mm、長さ約3mmのペレット状にして得た。
TPA:テレフタル酸
IPA:イソフタル酸
SEA:セバシン酸
EG:エチレングリコール
NPG:ネオペンチルグリコール
1,4−BD:1,4−ブタンジオール
TMA:トリメリット酸
調製例10
[溶解工程]
2Lのポリエチレン製容器にポリエステル樹脂(a1)を400g、メチルエチルケトンを600g投入し、系内温度が70℃になるように加熱攪拌し、ポリエステル樹脂(a1)をメチルエチルケトンに完全に溶解させ、固形分濃度40質量%のポリエステル樹脂(a1)溶液を得た。
[転相乳化工程]
ガラス容器(内容量2L)に、前記ポリエステル樹脂(a1)溶液を500g仕込み、系内温度を22℃に保ちながら攪拌し、塩基性化合物としてトリエチルアミンを23g(ポリエステル樹脂(a1)の酸価に対して9倍当量)添加した。続いて40g/分の速度で22℃のイオン交換水542gを添加し、その後、攪拌を30分間続けた。蒸留水を全量添加する間の系内温度は22±1℃、蒸留水添加終了後の固形分濃度は20質量%、転相乳化工程の完了は溶解工程終了から2時間経過後であった。
[脱溶剤工程]
得られたポリエステル樹脂(a1)の分散体800gを丸底フラスコに仕込み、メカニカルスターラーとリービッヒ冷却器を設置し、フラスコをオイルバスで加熱し、常圧で水性媒体を284g留去した。その後、室温まで冷却し、さらに攪拌しながら、28質量%アンモニア水0.9gを添加し、最後に固形分濃度が30質量%となるようにイオン交換水を加えて、ポリエステル樹脂分散体(A−1)を得た。
ポリエステル樹脂(a2)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を6.5g(ポリエステル樹脂(a2)の酸価に対して3倍当量)とし、イオン交換水を559gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−2)を得た。
ポリエステル樹脂(a3)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を13g(ポリエステル樹脂(a3)の酸価に対して6倍当量)とし、イオン交換水を552gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−3)を得た。
ポリエステル樹脂(a4)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を9.1g(ポリエステル樹脂(a4)の酸価に対して1.2倍当量)とし、イオン交換水を556gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−4)を得た。
ポリエステル樹脂(a5)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を7.2g(ポリエステル樹脂(a5)の酸価に対して20倍当量)とし、イオン交換水を558gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−5)を得た。しかし、得られたポリエステル樹脂分散体(A−5)は脱溶剤工程終了後すぐに固化してしまったため、以後の評価を行うことができなかった。
ポリエステル樹脂(a6)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を49g(ポリエステル樹脂(a6)の酸価に対して9倍当量)とし、イオン交換水を516gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−6)を得た。
ポリエステル樹脂(a7)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を55g(ポリエステル樹脂(a7)の酸価に対して9倍当量)とし、イオン交換水を510gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−7)を得た。
ポリエステル樹脂(a8)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を29g(ポリエステル樹脂(a8)の酸価に対して9倍当量)とし、イオン交換水を536gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−8)を得た。
ポリエステル樹脂(a9)を用い、転相乳化工程時に用いる、トリエチルアミンの配合を29g(ポリエステル樹脂(a9)の酸価に対して9倍当量)とし、イオン交換水を536gとすること以外は、ポリエステル樹脂分散体(A−1)と同様の調製を行い、ポリエステル樹脂分散体(A−9)を得た。
攪拌機、還流冷却器、2つの滴下漏斗、温度計、窒素導入管を備えた反応容器内に、ポリエステル樹脂水性分散体(A−1)を300g仕込み、窒素ガス雰囲気下、撹拌をしながら80℃に加熱した。次いでメタクリル酸−2−ジメチルアミノエチルを8gとイオン交換水2gからなる水溶液を反応容器中に滴下し、3時間撹拌後、イオン交換水をさらに1600g添加してさらに10分撹拌を続け、反応系を室温まで冷却した。そこへ重合開始剤として5質量%の過硫酸アンモニウム水溶液を40g添加し、10分撹拌した。そこへ、さらに5質量%過硫酸アンモニウム水溶液を60g添加し、さらに4時間反応を続けた後、反応温度を80℃に昇温して、さらに1時間反応を続けた。反応系を室温まで冷却して反応を終了した。反応液をメカニカルスターラーとリービッヒ冷却器を備えたフラスコへ移し、フラスコをオイルバスで加熱し、常圧で水性媒体を約1500g留去した。その後、室温まで冷却し、最後に固形分濃度が20質量%となるようにイオン交換水を加えて、水性分散体(S−1)を得た。(S−1)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
DMAEMA:ジメチルアミノエチルメタアクリレート
EHA:2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート
VA:酢酸ビニル
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−2)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−2)を得た。(S−2)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−6)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−3)を得た。(S−3)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−7)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−4)を得た。(S−4)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−8)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−5)を得た。(S−5)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるジメチルアミノエチルメタアクリレートを3gに変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−6)を得た。(S−6)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるポリエステル樹脂水性分散体(A−1)を130gと変更して、留去する水性媒体を約1600gとすること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−7)を得た。(S−7)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるビニル系モノマーを2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート8gに変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−8)を得た。(S−8)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるビニル系モノマーをジメチルアミノエチルメタアクリレート4gと、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート4gに変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−9)を得た。(S−9)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるビニル系モノマーを酢酸ビニル 8gに変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−10)を得た。(S−10)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
実施例1において、ジメチルアミノエチルメタアクリレートを8gとイオン交換水2gからなる水溶液に、さらにアルキルアリルスルホコハク酸ナトリウム(商品名:エレミノールJS−20、三洋化成社製)を2g添加して10分撹拌し、水溶液を乳化液にした状態で反応容器中に滴下することに変更する以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−11)を得た。(S−11)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−9)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−12)を得た。(S−12)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−3)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−13)を得た。(S−13)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体を(A−4)に変更すること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−14)を得た。(S−14)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
ポリエステル樹脂水性分散体(A−1)を、水性分散体(S−15)としてそのまま用いて、各種特性の評価を行った。(S−15)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
用いるポリエステル樹脂水性分散体(A−1)を80gと変更して、留去する水性媒体を約1600gとすること以外は、実施例1と同様の操作をおこない、水性分散体(S−16)を得た。(S−16)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
実施例1において、用いるポリエステル樹脂水性分散体(A−1)をイオン交換水に変更する以外は、実施例1と同様の操作をおこない、ポリメタクリル酸の水性分散体を得た。そこへ、イオン交換水で20質量%に希釈したポリエステル樹脂水性分散体(A−1)を300g添加し、10分間撹拌をおこない、水性分散体(S−17)を得た。(S−17)を用いて各種特性の評価を行った結果を表4に示す。
Claims (7)
- ポリエステル樹脂(A)およびビニル系ポリマー(B)を(A)/(B)=99/1〜80/20の質量比率で含有する複合樹脂を水性媒体に分散した水性分散体であって、ポリエステル樹脂(A)の数平均分子量が5000〜50000、酸価が3mgKOH/g以上、ガラス転移温度が30℃以下であることを特徴とする水性分散体。
- ポリエステル樹脂(A)が結晶性を有し、融点が100℃以下であることを特徴とする請求項1記載の水性分散体。
- ポリエステル樹脂(A)を構成する酸成分としてテレフタル酸を15〜70モル%、アルコール成分として1,4−ブタンジオールを70〜100モル%含有することを特徴とする請求項1または2に記載の水性分散体。
- ビニル系ポリマー(B)がアクリル樹脂であることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の水性分散体。
- ポリエステル樹脂(A)の微粒子の分散した水性媒体中で、ビニル系モノマーを乳化重合することを特徴とする請求項1〜4いずれかの水性分散体の製造方法。
- 請求項1〜4いずれかに記載の水性分散体を用いてなる水性コーティング剤組成物。
- 請求項6記載の水性コーティング剤組成物より得られる被膜。
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