JP2015203104A - ポリイソシアネート及び硬化性組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]ポリイソシアネートの全体量に対して、70〜90質量%の脂肪族ジイソシアネートモノマー単位と、5〜20質量%のポリオール単位と、0.1〜10質量%のモノアルコール単位と、を有し、0.01〜1質量%のジイソシアネートモノマーを含有し、
25℃での粘度が3000〜40000mPa・sである、ポリイソシアネート。
[2]前記ポリオールがポリエステルポリオールである、[1]記載のポリイソシアネート。
[3]前記ポリエステルポリオールがε−カプロラクトンから誘導されるものである、[2]記載のポリイソシアネート。
[4]前記ポリオールの水酸基平均数が3〜4である、[1]又は[2]に記載のポリイソシアネート。
[5]前記モノアルコールの炭素数が4〜10である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載のポリイソシアネート。
[6][1]〜[5]のいずれか1つに記載のポリイソシアネートを含む硬化性組成物。
本実施形態のポリイソシアネートは、原料が脂肪族ジイソシアネートモノマー、モノアルコール及びポリオールを含む、末端官能基がイソシアネート基である重合物であり、脂肪族ジイソシアネートモノマー単位と、ポリオール単位と、モノアルコール単位とを有し、0.01〜1質量%のジイソシアネートモノマーを含有する。
本実施形態のポリイソシアネートは、脂肪族ジイソシアネートモノマー単位を有するものである。脂肪族ジイソシアネートモノマー単位を有することにより、このポリイソシアネートを用いて形成する塗膜の耐候性が向上する傾向にある。
本実施形態のポリイソシアネートの一部はポリオール単位で構成される。ポリオール単位とは、ポリイソシアネートの一部を構成するポリオールに由来する部分をいう。ポリオールの水酸基はイソシアネート基と反応するが、この反応の際、脱離物はない。したがって、原料として、仕込まれたポリオールは質量の減少がなく、ポリイソシアネートの一部を構成する。
本実施形態のポリイソシアネートの一部はモノアルコール単位で構成される。モノアルコール単位とは、ポリイソシアネートの一部を構成するモノアルコールに由来する部分をいう。モノアルコールの水酸基はイソシアネート基と反応するが、この反応の際、脱離物はない。したがって、原料として仕込まれたモノアルコールは質量の減少がなく、ポリイソシアネートの一部を構成する。
本実施形態のポリイソシアネートの粘度は、25℃において、3000〜40000mPa・sであることが好ましく、3000〜30000mPa・sであることがより好ましい。この粘度が、3000mPa・s以上であると硬化性が更に良好になる傾向にあり、40000mPa・s以下であると、相溶性がより良好になる傾向にある。ポリイソシアネートの粘度は、モノアルコールがポリイソシアネートの一部を構成することにより、驚くべきことに、予期しない低下となる。このことが、ポリイソシアネートの活性水素化合物との反応による硬化性及び活性水素化合物との相溶性を共に優れたものとしたと考えられる。
本実施形態のポリイソシアネートのイソシアネート基質量濃度は、10〜23%であると好ましく、より好ましくは15〜22%である。ここで、「イソシアネート基質量濃度」とは、ポリイソシアネートが有するイソシアネート基(式量42)の質量濃度である。この質量濃度が上記範囲内であることで、これにより得られた塗膜の耐久性が更に良好となる効果がある。
本実施形態のポリイソシアネートは、ジイソシアネートモノマーを主原料にして、重合反応を行うことで得ることができる。この重合反応は、ジイソシアネートモノマーが存在している段階で停止され、その後、未反応のジイソシアネートモノマーを除去し、ポリイソシアネートを得る。重合反応が進むにつれて、ポリイソシアネートの分子量は増加し、ポリイソシアネートは分子量分布を有する。イソシアヌレート化反応による重合反応を行った場合、最も低分子量の成分は、ジイソシアネートモノマー3分子で形成される3量体である。更に、この3量体とジイソシアネートモノマー2分子とで5量体が形成される。
本実施形態のポリイソシアネートは、未反応のジイソシアネートモノマーが存在した状態で、重合を停止し、その後、未反応のジイソシアネートモノマーを除去して得られるものである。そのため、得られたポリイソシアネートには微量の未反応のジイソシアネートモノマーが存在する。この未反応のジイソシアネートモノマーの質量濃度(含有量)は、0.01〜1質量%であり、0.01〜0.5質量%であることが好ましく、0.01〜0.3質量%であることが更に好ましい。この質量濃度が0.01質量%以上であることで、経済的生産性が良好となり、1質量%以下であることにより硬化性が良好になる傾向にある。
次に、本実施形態のポリイソシアネートの製造方法に関して、詳述する。
本実施形態のポリイソシアネートは、イソシアヌレート結合とアロファネート結合を共に有することが好ましい。モノアルコール由来のアロファネート結合とイソシアヌレート結合とのモル比率(モノアルコール由来のアロファネート結合/イソシアヌレート結合)は、2/98〜60/40であると好ましく、3/97〜50/50であるとより好ましい。このモル比率が、2/98〜60/40の範囲であることにより、ポリイソシアネートの、主剤である活性水素化合物との相溶性、及び下地隠ぺい性を更に向上させることができる。
ポリイソシアネートのイソシアネート基平均数とは、ポリイソシアネートの統計的平均分子1つが有するイソシアネート基の数であり、下記の実施例に記載の方法に準拠して導出される。
本実施形態のポリイソシアネートは、分子量分布を有し、そのポリイソシアネートにおいて、イソシアネート5量体相当分子量以上の高分子成分の質量濃度(含有量)は50〜90%であることが好ましく、60〜80質量%であることがより好ましい。この質量濃度が50〜90質量%の範囲であることにより、相溶性及び硬化性の両方がより良好となる。なお、ジイソシアネートモノマーの5量体の分子量は、ジイソシアネートモノマーの5倍である。
本実施形態のポリイソシアネートは、そのイソシアネート基をブロック剤で封鎖した、ブロックポリイソシアネートであってもよい。
本実施形態の硬化性組成物は、ポリイソシアネートと活性水素化合物とを主成分として含有することが好ましい。このような硬化性組成物の下地隠ぺい性が良好であることは驚くべきことである。通常、ポリイソシアネートの粘度が高い場合又は硬化性が高い場合、下地隠ぺい性には劣っている。これは硬化性組成物の樹脂成分の粘度が高い場合、樹脂の流動性が低く、凹凸の隠ぺいに時間がかかり、隠ぺい途中で塗膜表面が固定化されるためである。また、樹脂成分の粘度が低くても、硬化性が高い場合、下地の凹凸を隠ぺいする前に硬化が開始してしまい、樹脂の流動性が低下する結果、凹凸の隠ぺい途中で塗膜表面が固定化される。一方、本実施形態のポリイソシアネートは硬化性が高く、粘度も高いにも関わらず、下地隠ぺい性が良好である。
数平均分子量は、下記の装置を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下、「GPC」という。)により、ポリスチレン基準の数平均分子量として求めた。
装置 :東ソー(株)HLC−802A
カラム :東ソー(株)G1000HXL×1本
G2000HXL×1本
G3000HXL×1本
キャリアー:テトラヒドロフラン
検出方法 :示差屈折計
ジイソシアネートモノマーの含有量は、下記式で表されるように、上述のGPC測定で得られるポリイソシアネートのピークの面積と、ジイソシアネートモノマー相当の分子量(例えば、ヘキサメチレンジイソシアネートであれば168)のピーク面積とから算出した。
(ジイソシアネートモノマーの含有量)=(ジイソシアネートモノマーのピークの面積)/{(ポリイソシアネートのピークの面積)+(ジイソシアネートモノマーのピークの面積)}×100
イソシアネート5量体相当分子量以上の高分子量成分の質量濃度は、ジイソシアネートモノマー5量体の分子量(ジイソシアネートモノマーがHDIであれば、840)以上の高分子量成分の全ピーク面積の、ポリイソシアネートの全ピークの全面積に対する割合であり、上述のGPCの結果から求めた。
三角フラスコにポリイソシアネート1〜3gを精秤し(Wgとする。)、その後トルエン20mLを添加し、ポリイソシアネートを完全に溶解した。その後、2規定のジ−n−ブチルアミンのトルエン溶液10mLを添加し、完全に混合後、15分間、室温で放置した。さらに、この溶液にイソプロピルアルコール70mLを加え、十分に混合した。得られた液を1規定塩酸溶液(ファクターF)で、指示薬に滴定した。この滴定値をV2mLとした。また、同様の操作を前駆体ポリイソシアネートがない場合で行い、この滴定値をV1mLとした。これらの滴定値から、下記式によりポリイソシアネートのイソシアネート基濃度を算出した。
イソシアネート基濃度(%)=(V1−V2)×F×42/(W×1000)×100
ポリイソシアネートのイソシアネート基平均数は、ポリイソシアネートのイソシアネート基濃度と数平均分子量から下記式により求めた。
イソシアネート基平均数=数平均分子量×イソシアネート基濃度/100/42
これらは、ポリイソシアネート製造時の仕込み原料の質量と、得られたポリイソシアネートの質量からも算出できるし、ポリイソシアネートの解析からも算出できるが、本実施例ではポリイソシアネートの解析から算出した。
装置 :日本電子株式会社の商品名JNM−ECS400
測定条件:
共鳴周波数 :400MHz
積算回数 :128
溶媒 :重水素化クロロホルム
サンプル濃度:約40mg/mL
上記のプロトン核磁気共鳴の測定結果から、モノアルコールの水酸基由来のアロファネート結合とイソシアヌレート結合とのモル比率を算出した。モノアルコールはそのアルキル基の特性吸収から特定した。
ポリイソシアネートの粘度は、E型粘度計(トキメック社製、製品名「VISCONIC RE−85U型」)を用いて、ローターを3°×R14とし、粘度に応じた回転数(説明書に記載されている、例えば、5000〜10000mPa・sの範囲であれば回転数50rpm)で、25℃にて測定した。
ポリプロピレン板上に硬化性組成物を塗布し、これを80℃のオーブン内に30分放置した後、塗膜を剥離して、その質量を測定した。この塗膜(フィルム)を23℃で24時間アセトンに浸漬した。浸漬後、塗膜を80℃で、60分間乾燥した後、その質量を測定した。浸漬前の質量に対する、浸漬後の質量の割合(ゲル分率:%)にて硬化性を評価した。ゲル分率が85%を超える場合は硬化性が良好であると判断して「1」と表し、ゲル分率が75%以上85%未満の場合は硬化性がほぼ良好であると判断して「2」と表し、ゲル分率が75%未満の場合を硬化性が不良であると判断して、「3」と表した。
1mm厚さのガラス板上に塗膜の膜厚が40μmになるように硬化性組成物を塗布した。室温で30分間静置した後、80℃のオーブン内に30分静置した。その後、冷却して、塗膜が23℃になったことを確認した後に、下記測定装置を用いて、ヘイズを測定した。塗膜の透明性が高い場合、ヘイズ値は小さい値を示し、活性水素化合物とポリイソシアネートとの相溶性は良好であると判断できる。
装置名:スガ試験機株式会社ヘイズメーター、機番「HGM2DP」
株式会社スタンダートテストピース社のカチオン電着塗装板(黒色)上に、溶媒の加減によって樹脂固形分を50%に調整した以外は実施例、比較例と同様の組成を有する硬化性組成物を、樹脂膜厚40μmになるようにアプリケーターによって塗布した。塗布後、室温で30分静置した後、80℃のオーブン内に30分静置した。その後、冷却して、塗膜が23℃になったことを確認した後に、下記装置を用いて下記条件により算術平均粗さRa値を測定した。このRa値が小さいほど、下地隠ぺい性が良好であることを示す。
測定装置:Zygo社製の走査型白色干渉顕微鏡、商品名「NewView600s」
倍率 :2.5倍
測定方法:Ra値を測定(センターラインからの算術偏差)
〔ポリイソシアネートの製造〕
撹拌機、温度計、還流冷却管、窒素吹き込み管及び滴下ロートを取り付けた4ツ口フラスコ内を窒素雰囲気にし、ヘキサメチレンジイソシアネート(以下、「HDI」とも表記する。)1000g、3官能ポリオール(水酸基平均数3)であるポリカプロラクトン系ポリエステルトリオール(「プラクセル303」、ダイセル株式会社製商品名、分子量300)100g及び2−エチルヘキサノール30gを仕込み、撹拌下、反応器内の温度(ウレタン化温度)を90℃にして1時間保持した。その後、反応器内の温度(ヌレート化温度)を80℃に保持し、イソシアヌレート化反応触媒であるテトラメチルアンモニウムカプリエートを添加し、収率が50%になった時点で燐酸を添加して反応を停止した。得られた反応液をろ過した後、薄膜蒸発缶を用いて未反応のHDIを除去して実施例1のポリイソシアネートを得た。得られたポリイソシアネートについて、イソシアネート5量体相当分子量以上の高分子量成分の質量濃度は64質量%、ジイソシアネートモノマー単位の質量濃度は77質量%、ポリオール単位の質量濃度は18質量%、2−エチルヘキサノール単位の質量濃度は5.3質量%、ジイソシアネートモノマーの質量濃度は0.1質量%、25℃における粘度は7300mPa・s、イソシアネート基濃度は18.2質量%、数平均分子量は1030、イソシアネート基平均数は4.5であった。
〔ポリイソシアネートの製造〕
実施例1と同様の装置の4ツ口フラスコ内を窒素雰囲気にし、原料及び反応条件を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてポリイソシアネートを得た。ポリイソシアネートの各種特性の結果を表1に示す。
〔硬化性組成物の調製と評価〕
2種のアクリルポリオール(DIC株式会社製商品名「アクリディックA801」(固形分50%、樹脂水酸基価100mgKOH/g)、及びNuplex社製商品名「Setalux 1767」(固形分65%、水酸基濃度4.5%))を樹脂分の質量比が5:5になるよう混合した。得られた混合物と実施例1で得られたポリイソシアネートとを、混合物の水酸基とポリイソシアネートのイソシアネート基との当量比が1.0になるように混合した。その後、樹脂成分の質量濃度が50%になるように、酢酸ブチルで希釈して硬化性組成物を得た。この硬化性組成物について、硬化性、相溶性及び下地隠ぺい性を評価した。結果を表2に示す。点数が2及び3の場合を良好な結果と判断した。
ポリイソシアネートの種類を表2に示すように変更した以外は実施例5と同様にして、硬化性組成物を得た。それらの硬化性組成物について、硬化性、相溶性及び下地隠ぺい性を評価した。結果を表2に示す。
Claims (6)
- ポリイソシアネートの全体量に対して、70〜90質量%の脂肪族ジイソシアネートモノマー単位と、5〜20質量%のポリオール単位と、0.1〜10質量%のモノアルコール単位と、を有し、0.01〜1質量%のジイソシアネートモノマーを含有し、
25℃での粘度が3000〜40000mPa・sである、ポリイソシアネート。 - 前記ポリオールがポリエステルポリオールである、請求項1記載のポリイソシアネート。
- 前記ポリエステルポリオールがε−カプロラクトンから誘導されるものである、請求項2記載のポリイソシアネート。
- 前記ポリオールの水酸基平均数が3〜4である、請求項1又は2記載のポリイソシアネート。
- 前記モノアルコールの炭素数が4〜10である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリイソシアネート。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリイソシアネートを含む硬化性組成物。
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- 2014-04-16 JP JP2014085013A patent/JP6297395B2/ja active Active
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