JP2015529721A - イミド基を含むポリマー発泡体を製造する方法 - Google Patents

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Abstract

ポリマー発泡体を製造する方法は、成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分A〜Cを反応させること、または成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分Aおよび成分Bからなるイソシアネート官能性プレポリマーと成分Cとを反応させることを含み、それらの成分の総量が100質量%であり、(A)成分Aのうちの10〜100質量%が、少なくとも1種のポリイソシアネート成分と1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とが縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物である、少なくとも1種のポリイソシアネート成分Aが35〜65質量%、(B)少なくとも1種のポリオール成分Bが5〜50質量%、(C)少なくとも1種のポリカルボン酸成分Cが1〜59質量%、および(D)少なくとも1種のルイス塩基成分Dが0.01〜3質量%、(E)少なくとも1種の泡安定化剤成分Eが0〜5質量%、であり、この反応は、二酸化炭素を放出しながら起こる。

Description

本発明は、イミド基を含むポリマー発泡体を製造する方法、そのようにして得ることができるポリマー発泡体、該発泡体の製造においてイミド基を含むポリイソシアネートを使用する方法、および該発泡体を使用する方法に関する。
ジまたはポリイソシアネートに基づくポリウレタンおよびポリウレタン−ポリ尿素発泡体などのポリマー発泡体は、周知である。剛性ポリウレタン相は、高温での材料使用に対して決定的な影響を有する剛性ポリアミド相と比較すると、明らかにより低い融点を有する。
カルボン酸をイソシアネートと反応させると、混合カルバミン酸無水物を形成し、一部がさらに反応してアミド形成することがさらに知られている。この反応および反応機構は、例えば、Synthesis、2001年、2号、243〜246頁においてR.W.Hoffmanにより、およびTetrahedron Letters、27巻、11号、1251〜1254頁、1986年においてI.Scottにより記載されている。
ジイソシアネートとジカルボン酸との間の反応を使用したオリゴマー化合物が、Rubber Chemistry and Technology、59巻、615〜622頁においてK.Onderにより、およびPolymer、39巻、2号、459〜456頁、1998年においてT.O.Ahnにより記載されている。
EP0527613A2は、アミド基を含む発泡体の製造について記載している。これらは、有機ポリイソシアネートおよび多官能性有機酸を使用して製造される。この発泡体は、有機ポリイソシアネートと、ポリオキシアルキレンおよび有機ポリカルボン酸成分の反応生成物とを反応させることによる付加反応を使用して製造される。2つのイソシアネート基は、二酸化炭素を発生する化合物と反応する。この化合物は、ポリオキシアルキレンポリアミンまたはポリオール成分と、有機ポリカルボン酸成分との反応生成物である。ポリオキシアルキレンポリアミンまたはポリオール成分は、200〜5000g/molの平均分子量を有する。この反応の出発温度は、少なくとも150℃である一方、反応時間は、30分〜12時間の範囲にある。
DE4202758A1は、炭素原子8〜200個の鎖長を有するポリヒドロキシカルボン酸の使用により得ることができるウレタン基およびアミド基を含む発泡体について記載している。これらのポリヒドロキシカルボン酸は、エポキシ化不飽和脂肪酸と、水、アルコールまたはヒドロキシカルボン酸などのヒドロキシル含有化合物とを開環することにより簡便に製造される。発泡体密度は、33〜190kg/mの範囲である。
JP2006−137870Aは、ポリアミド発泡体を製造する方法、およびこのポリアミド発泡体を使用する方法を記載している。触媒としてホスフィンオキシドを使用し、ポリイソシアネート成分とポリエステルポリカルボン酸成分とを互いに反応させる。この反応混合物は、少なくとも170℃に加熱される。
公知のポリウレタン−ポリアミド発泡体は、出発原料が比較的高温でなければ反応しないか、または反応が完結しないかのいずれかであること、および上記発泡体の密度が、基準ポリウレタンの処方に合致していないため、欠点がある。
本発明の優先日において未公開である2012年3月27日出願の先行欧州特許出願第12161392.1号は、「Producing rigid polymer foams」という表題であり、少なくとも1種のポリイソシアネート成分、少なくとも1種のポリオール成分、および少なくとも1種のポリカルボン酸成分が、触媒としてルイス塩基成分の存在下で反応する、ポリマー発泡体を製造する方法を記載している。
WO2011/147723は、少なくとも1つのゴムおよび少なくとも1つのポリイミドを含む建造物用材料を記載しており、この場合、該ポリイミドは、1分子あたり平均で3つ以上のイソシアネート基を有する少なくとも1種のポリイソシアネートと、1分子あたり少なくとも3つのカルボキシル基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物との分岐縮合生成物である。このポリイミドは、ゴムへのポリウレタンの結合を改善するために使用される。
EP0527613A2 DE4202758A1 JP2006−137870A 欧州特許出願第12161392.1号 WO2011/147723
R.W.、Hoffman、Synthesis、2001年、2号、243〜246頁 I.Scott、Tetrahedron Letters、27巻、11号、1251〜1254頁、1986年 K.Onder、Rubber Chemistry and Technology、59巻、615〜622頁 T.O.Ahn、Polymer、39巻、2号、459〜456頁、1998年
本発明の目的は、高温および/または高圧下で水分が存在しても、形状が安定しており、その結果、エンジン、トランスミッションまたは排気環境において使用すること、およびそれらの作製方法において使用することさえ可能な、ポリマー発泡体を提供することである。本ポリマー発泡体は、弾性、摩耗抵抗性、引張強度、タング引裂強度および圧縮応力の持続に関して、有利な特性をさらに有する。本発明の目的はさらに、短時間で、かつ好ましくは追加の発泡剤を必要とすることなく、ジイソシアネート成分とジカルボン酸成分との反応により得ることができるポリアミド基を含むポリマー発泡体を提供することである。
EP12161392.1に関連して、本発明の目的はさらに、ポリマー発泡体の熱安定性を改善することである。
これらの目的は、本発明に従い、成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分A〜Cを反応させること、または成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分Aおよび成分Bからなるイソシアネート官能性プレポリマーと成分Cとを反応させることを含む、ポリマー発泡体を製造する方法であって、それらの成分の総量が100質量%であり、
(A)成分Aのうちの10〜100質量%が、少なくとも1種のポリイソシアネート成分と1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とが縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物である、少なくとも1種のポリイソシアネート成分Aが35〜65質量%、
(B)少なくとも1種のポリオール成分Bが5〜50質量%、
(C)少なくとも1種のポリカルボン酸成分Cが1〜59質量%、および
(D)少なくとも1種のルイス塩基成分Dが0.01〜3質量%、
(E)少なくとも1種の泡安定化剤成分Eが0〜5質量%、
であり、
この反応は、二酸化炭素を放出しながら起こる、方法により達成される。成分A〜D、および任意にEの他に、さらなる成分が反応混合物に含まれ得る。
本発明の方法は、カルボン酸基とイソシアネート基とを反応させて、さらに反応してアミドを形成する混合カルバミン酸無水物を形成することを含んでいる。触媒としてルイス塩基を使用するカルバミン酸無水物からのCO脱離により、例えばポリウレタンに基づくポリマー発泡体と同様の速度でポリマー発泡体がもたらされる。この反応は、成分自体に起因する発泡ガスを放出するので、水および発泡剤が実質的にまたは完全に存在しないで実施することができる。
本ポリマー発泡体は、様々な特性を有することができる。本ポリマー発泡体は、例えば、剛性発泡体または可撓性発泡体とすることができる。本ポリマー発泡体は、好ましくは剛性ポリマー発泡体とすることができる。
剛性ポリマー発泡体とは、本発明の文脈では、発泡体マトリックスは依然として粘度が高く、かつガスは発泡体内部で膨張し続けることができるため、剛性ポリマー発泡体の製造過程において、反応が最終的に終了するまで、すなわち主反応が終了した後でさえも、反応混合物が体積変化を受けるという意味として理解することができる。ポリマー発泡体は、該ポリマー発泡体内部および該ポリマー発泡体の表面に、気泡/空隙を含むことが可能である点が利点である。
本発明の剛性ポリマー発泡体は、相対変形率10%において、好ましくは80kPa以上、より好ましくは150kPa以上、より一層好ましくは180kPa以上の圧縮応力を有することができる。本剛性ポリマー発泡体はさらに、70%以上、好ましくは85%を超えるDIN ISO 4590の独立気泡含量を好ましくは有することができる。本発明の好ましい剛性ポリマー発泡体に関するさらなる詳細は、「Kunststoffhandbuch,Vol.7,Polyurethane」、Carl Hanser Verlag、第3版、1993年、第6章において見られる。DIN 7726もまた、ポリウレタン発泡体を参照することができる。
本発明は、反応における促進剤または触媒としてルイス塩基成分を利用し、これによって、重付加および重縮合を均質に、かつその後に固化する安定な均質発泡体を形成するよう、分子量の向上および得られたポリマーのゲル化のみならず、とりわけ放出二酸化炭素による膨張性発泡も同時に起こることが確実となる速い速度で行わせることが可能になる。本発明者らは、基本的な上記両反応のために、ルイス塩基成分を1種使用すれば十分であること、および、これらの反応は互いに調和し、その結果、ガス生成および発泡体形成が、均質な発泡体の生成に至る粘度向上と同時に併発することを見いだした。一旦、粘度が上がりすぎると、発泡体形成は不具合が生じ得る。発泡体の形成中、粘度増加が不十分である、および/またはいかなるゲル化も続いて起こらなかった場合、生成ガスは、液状ポリマー内を通過して上昇し、そこから逃げ出し、かつ/または表面に蓄積することが可能であり、均質な発泡体構造の形成が妨げられる。これらの問題が本発明の方法において克服され、その結果、ポリマー発泡体の横断面全体にわたって均質な気泡分布を有するポリマー発泡体になる。
本発明者らは、成分が本発明の量で使用されると、二酸化炭素の形成が、好適なポリマー発泡体を製造するのに十分となり、これにより外部発泡剤の添加を必要としなくなることを見いだした。しかし、より低い密度の発泡体が望ましい場合、外部発泡剤を追加的に使用することもできる。外部発泡剤の添加を省くことが好ましい。同様に、本発明により、反応混合物への水のいかなる添加もまたは反応混合物中の水の存在も回避される。本反応は、好ましくは、ほとんどまたは完全に無水、すなわち水の非存在下で行われる。好ましくは、反応混合物中に水が存在しない。
少なくとも1種のポリイソシアネート成分と、該ポリイソシアネート成分Aを完全または部分的に置きかえるための、1分子あたり少なくとも3つのカルボキシル基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とが縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物の使用により、形成される発泡体の熱安定性のさらなる改善が実現する。
これより、本発明によって使用される個々の成分を、より詳細に説明する。
本発明により使用されるポリイソシアネート成分Aは、成分A2としての、10〜100質量%、好ましくは50〜100質量%、とりわけ70〜100質量%の、少なくとも1種のポリイソシアネート成分と1分子あたり少なくとも3つのカルボキシル基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とが縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物、および0〜90質量%、好ましくは0〜50質量%、とりわけ0〜30質量%のポリイミド基を含まないポリイソシアネート成分A1を含む。
前記ポリイソシアネート成分A2は、ポリイソシアネート成分A1と1分子あたり少なくとも3つのカルボキシル基を有する少なくとも1種のカルボン酸またはその無水物とを反応させることにより誘導することができる。したがって、前記ポリイミド基を含むポリイソシアネート成分A2を形成するための前記ポリイソシアネート成分A1とポリカルボン酸との反応について記載する前に、前記ポリイソシアネート成分A1について記載する。
本発明のため、本明細書では成分A1とも呼ばれる、少なくとも1種のポリイソシアネート成分は、多官能性芳香族イソシアネートおよび/または脂肪族イソシアネート、例えばジイソシアネートを含む。
ポリイソシアネート成分A1は、1.8〜5.0の範囲、より好ましくは1.9〜3.5の範囲、最も好ましくは2.0〜3.0の範囲のイソシアネート基官能基数を有するのが有利となり得る。
適切な多官能性イソシアネートは、平均2〜4つのNCO基を含むことが好ましい。適切なイソシアネートの例には、1,5−ナフチレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート(XDI)、テトラメチルキシリレンジイソシアネート(TMXDI)、ジフェニルジメチルメタンジイソシアネート誘導体、ジおよびテトラアルキルジフェニルメタンジイソシアネート、4,4−ジベンジルジイソシアネート、1,3−フェニレンジイソシアネート、1,4−フェニレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート(TDI)の異性体(任意に混合物)、1−メチル−2,4−ジイソシアナトシクロヘキサン、1,6−ジイソシアナト−2,2,4−トリメチルヘキサン、1,6−ジイソシアナト−2,4,4−トリメチルヘキサン、1−イソシアナトメチル−3−イソシアナト−1,5,5−トリメチルシクロヘキサン(IPDI)、クロロ化およびブロモ化ジイソシアネート、リン含有ジイソシアネート、4,4−ジイソシアナトフェニルパーフルオロエタン、テトラメトキシブタン1,4−ジイソシアネート、ブタン−1,4−ジイソシアネート、ヘキサン1,6−ジイソシアネート(HDI)、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、シクロヘキサン1,4−ジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、ビスイソシアナトエチルフタレート、やはり反応性ハロゲン原子を有するポリイソシアネート(1−クロロメチルフェニル2,4−ジイソシアネート、1−ブロモメチルフェニル2,6−ジイソシアネート、3,3−ビスクロロメチルエーテル4,4ミン−ジフェニルジイソシアネートなど)が挙げられる。
さらに重要なジイソシアネートは、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、1,4−ジイソシアナトブタン、1,12−ジイソシアナトドデカン、および脂肪酸ジイソシアネートのダイマーである。
4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、水素化MDI(H12MDI)、およびメチレンジフェニルジイソシアネートポリマーが、特に好適であり、メチレンジフェニルジイソシアネートポリマーは、2.2以上の官能基数を有利にも有している。
本発明による方法のさらなる実施形態では、成分A1は、100g/mol〜750g/molの範囲、有利には130g/mol〜500g/molの範囲、とりわけ250g/mol〜450g/molの範囲の平均分子量を有する。
ポリイソシアネート成分A2を製造するため、前記ポリイソシアネート成分A1に、1分子あたり少なくとも3つのカルボキシル基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とのさらなる縮合反応が施され、ポリイミド基を含む縮合物生成物が形成されてもよい。このために使用されるポリカルボン酸は、使用されるポリイソシアネート成分A2aが、前記ポリイソシアネート成分A1に相当している間は、成分A2bとも呼ばれる。
ポリカルボン酸A2bは、好ましくは、それらが低分子量形態、すなわち非ポリマー形態にある場合、1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する脂肪族もしくは好ましくは芳香族ポリカルボン酸、または対応する無水物から選択される。3つのCOOH基を有しているポリカルボン酸で、2つのカルボン酸基が無水物として存在しており、第3のカルボン酸が遊離カルボン酸として存在しているポリカルボン酸も包含される。
本発明の好ましい実施形態では、1分子あたり少なくとも4つのCOOH基を有するポリカルボン酸、または対応する無水物が、ポリカルボン酸A2bとして選択される。
ポリカルボン酸A2bおよびその無水物の例は、1,2,3−ベンゼントリカルボン酸および1,2,3−ベンゼントリカルボン酸二無水物、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸(トリメシン酸)、好ましくは1,2,4−ベンゼントリカルボン酸(トリメリット酸)、トリメリット酸無水物、とりわけ1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸(ピロメリット酸)および1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物(ピロメリット酸二無水物)、3,3’,4,4”−ベンゾフェノンテトラカルボン酸、3,3’,4,4”−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、またベンゼンヘキサカルボン酸(メリット酸)およびメリット酸無水物である。
有用なポリカルボン酸および無水物には、メロファン酸およびメロファン酸無水物、1,2,3,4−ベンゼンテトラカルボン酸および1,2,3,4−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、3,3,4,4−ビフェニルテトラカルボン酸および3,3,4,4−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2,3,3−ビフェニルテトラカルボン酸および2,2,3,3−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸および1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−ナフタレンテトラカルボン酸および1,2,4,5−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸および2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−デカヒドロナフタレンテトラカルボン酸および1,4,5,8−デカヒドロナフタレンテトラカルボン酸二無水物、4,8−ジメチル−1,2,3,5,6,7−ヘキサヒドロナフタレン−1,2,5,6−テトラカルボン酸および4,8−ジメチル−1,2,3,5,6,7−ヘキサヒドロナフタレン−1,2,5,6−テトラカルボン酸二無水物、2,6−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸および2,6−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、2,7−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸および2,7−ジクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−テトラクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸および2,3,6,7−テトラクロロナフタレン−1,4,5,8−テトラカルボン酸二無水物、1,3,9,10−フェナントレンテトラカルボン酸および1,3,9,10−フェナントレンテトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸および3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタンおよびビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタンおよびビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタンおよびビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタンおよび1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタンおよび1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタンおよび1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパンおよび2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパンおよび2,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、ビス(3,4−カルボキシフェニル)スルホンおよびビス(3,4−カルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(3,4−カルボキシフェニル)エーテルおよびビス(3,4−カルボキシフェニル)エーテル二無水物、エチレンテトラカルボン酸およびエチレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸および1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸および1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5−ピロリジンテトラカルボン酸および2,3,4,5−ピロリジンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5,6−ピラジンテトラカルボン酸および2,3,5,6−ピラジンテトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5−チオフェンテトラカルボン酸および2,3,4,5−チオフェンテトラカルボン酸二無水物がさらに含まれる。
本発明によれば、ピロメリット酸またはその無水物を使用することが好ましい。
本発明の一実施形態では、US2,155,687またはUS3,277,117からの無水物を使用して、成分A2が合成される。
ポリイソシアネートA2aおよびポリカルボン酸A2bが互いに縮合される場合(好ましくは触媒の存在下で行われる)、イミド基はCOおよびHOの脱離によって形成される。ポリカルボン酸A2bの無水物が代わりに使用される場合、イミド基はCOの脱離によって形成される。
Figure 2015529721
これらの反応式では、ポリイソシアネートA2aのR部位は、さらに指定されている必要はなく、nは1以上であり、例えばトリカルボン酸の場合は1であり、テトラカルボン酸の場合は2であり、一方、(HOOC)は、式C(=O)−O−C(=O)である無水物基によって置きかえることができる。
本発明の一実施形態は、少なくとも1種のジイソシアネート、例えば、トリ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と、またはイソホロンジイソシアネートとの混合物中で、ポリイソシアネートA2aを利用する。1つの具体的な形式は、対応するジイソシアネート、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネートによるHDI三量体、またはイソホロンジイソシアネートによるイソホロンジイソシアネート三量体、またはジフェニルメタンジイソシアネートによるジフェニルメタンジイソシアネートポリマー(ポリマーMDI)との混合物中で、ポリイソシアネートA2aを利用する。
本発明の一実施形態は、少なくとも1種のジカルボン酸、または少なくとも1種のジカルボン酸無水物(例えば、フタル酸または無水フタル酸)との混合物中でポリカルボン酸A2bを利用する。
成分A2aおよびA2bは、20:1〜1:1、より好ましくは10:1〜2:1、とりわけ7:1〜3:1の範囲の質量比で、好ましくは使用される。
その合成(本発明の主題の一部を構成する)は、NCO基とCOOH基のモル比が、1:3〜3:1の範囲、好ましくは1:2〜2:1の範囲になるような混合比のポリイソシアネート(A2a)とポリカルボン酸(A2b)または無水物(A2b)とを使用することにより、好ましくは実施され得る。式CO−O−COである無水物基の1つは、この場合、2つのCOOH基と数える。
成分A2は、好ましくは、1000〜200000g/molの範囲の分子量Mを有する。
成分A2は、好ましくは、1分子あたり少なくとも2つのイミド基、より好ましくは1分子あたり少なくとも3つのイミド基を有する。
成分A2は、構造的におよび分子として一様な分子からなってもよく、または分子構造上、異なる分子の混合物を含んでもよい。例えば、多分散性M/Mは、1.4以上、例えば1.4〜50の範囲、好ましくは1.5〜10の範囲とすることができる。多分散性は、公知の方法、とりわけゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって決定することができる。ポリメチルメタクリレート(PMMA)は、例えばこのための好適な標準である。
成分A2は、ポリマー足場におけるイミド基に加え、末端または側鎖に配置された官能基を含むことができ、この官能基は、無水物または酸基、および遊離のまたはブロックされているNCO基とすることができる。
このポリイソシアネート成分は、本発明の方法において製造されるポリマー単位あたり、高密度のアミド結合を理想的にもたらすことができる。これにより、有利な特性を有する剛性相を生じさせることが可能になる。アミドは、ウレタンよりも高い融点および高い分解温度を有する。したがって、より高い比率のアミド結合を有する剛性ポリマー発泡体は、同様により高い融点およびより高い分解温度を有しており、それゆえ、例えば自動車のエンジンコンパートメントにおける絶縁材料としての高温での用途に特に好適である。アミド結合の存在により、熱安定性のなお一層の改善がもたらされる。成分A2は、好ましくは、1000〜10000g/molの範囲、より好ましくは2000〜5000g/molの範囲の数平均分子量を有する。
本発明の方法は、35〜75質量%の少なくとも1種のポリイソシアネート成分A、好ましくは40〜70質量%の少なくとも1種のポリイソシアネート成分A、より好ましくは50〜65質量%の少なくとも1種のポリイソシアネート成分Aの反応を含む。より詳細には、成分Aは、特定の成分B、CおよびD、ならびに任意にEと一緒にして、連続的に、または最初のものから1種ずつ接触させることができる。例えば、成分AおよびBを反応させて、イソシアネート官能性プレポリマーを製造することができる。ひいては、このプレポリマーは、好ましくは2.5〜3のイソシアネート官能基数を有する。
本発明のために、本明細書では成分Bとも呼ばれる、少なくとも1種のポリオール成分Bは、2つ以上の遊離ヒドロキシル基を有する有機化合物を含む。これらの化合物は、好ましくは別の官能基、または酸基などの反応性基を含まない。好ましくは、ポリオール成分Bは、ポリエーテルポリオールまたはポリエステルポリオールである。それらの例は、ポリオキシアルキレン、ポリオキシアルケニル、ポリエステルジオール、ポリエステロール、ポリエーテルグリコール、とりわけポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレンエチレングリコール、またはそれらの混合物である。混合物は、例えばコポリマーを意味するものとして理解することができるが、ポリマーの混合物を意味するものとしても理解することができる。ポリグリコール成分は、好ましくは、200g/mol〜6000g/molの範囲、とりわけ250g/mol〜3000g/molの範囲、より好ましくは300g/mol〜800g/molの範囲の平均分子量を有する。
本発明による方法のさらなる実施形態では、成分Bは、10mgKOH/g〜1000mgKOH/gのOH価を有する。より詳細には、成分Bは、30mgKOH/g〜500mgKOH/gのOH価を有することができる。
成分Aおよび(B+C)は、成分A上のイソシアネート基と成分BおよびC上のイソシアネート反応性基(ヒドロキシル基またはカルボン酸基など)とのモル比が、好ましくは10:1〜1:2、より好ましくは5:1〜1:1.5、とりわけ3:1〜1:1の範囲で使用することができる。
反応混合物中の成分Bの割合は、好ましくは10〜30質量%の範囲、とりわけ15〜20質量%の範囲とすることができる。
本発明のために、本明細書では成分Cとも呼ばれる、少なくとも1種のポリカルボン酸化合物、好ましくはジカルボン酸成分は、少なくともまたはちょうど2つのカルボキシル基、−COOHまたはその酸無水物を有する有機化合物を含む。このカルボキシル基は、アルキル部位、またはシクロアルキル部位、または芳香族部位に結合していることができる。脂肪族、芳香族、芳香脂肪族、またはアルキル芳香族ポリカルボン酸が考えられ、ヘテロ原子、とりわけ窒素原子、および他の官能基、例えばヒドロキシル基またはケト基も含有することができる。ポリまたはジカルボン酸成分は、反応中、5〜50質量%、有利には10〜30質量%、より好ましくは15〜20質量%で本発明の方法において使用することができる。好ましくは、成分Cは、カルボキシル基の他に、ヒドロキシル基を全く含んでいない。したがって、ポリヒドロキシカルボン酸は、好ましくは対象としない。官能基としてもっぱらカルボキシル基および/またはその無水物のみ有しているポリまたはジカルボン酸を使用することが、特に有利となり得る。例えば、成分Cのさらなる異形である、塩またはエステル、例えばカルボン酸イオンとアルカリ土類金属のイオンにより形成される塩で使用することも同様に可能となり得る。好ましくは、遊離酸基は反応中、存在している。適切なポリカルボン酸の例は、C3〜12アルカンポリカルボン酸またはジカルボン酸、例えば、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、またはC1〜3アルキル置換もされていてもよい高級ジカルボン酸である。適切な芳香族ポリまたはジカルボン酸の例は、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸である。さらなる可能性には、フマル酸またはマレイン酸、およびケト含有ジカルボン酸(オキサロ酢酸など)などの脂肪族不飽和ポリまたはジカルボン酸が含まれる。
成分Cは、成分B中で少なくとも一部が、好ましくは全部が溶質として、反応中に使用されるのが好ましい。したがって、反応温度において固体であるポリカルボン酸でさえも、本反応、またはより正確には反応混合物に導入しやすい。
本発明のために、本明細書では成分Dとも呼ばれる少なくとも1種のルイス塩基成分は、例えば、化学において用語「ルイス塩基」の意味に従い、電子対を供給することができる化合物を意味するものとして理解することができる。好ましくは、自由電子対は、有機化合物中に存在するが、金属化合物または有機金属化合物にも結合することができる。
ルイス塩基は、好ましくは、0.05〜1質量%、より好ましくは0.1〜0.5質量%の量で使用される。
本発明による方法の好ましい実施形態では、ルイス塩基成分は、N−メチルイミダゾール、メラミン、グアニジン、シアヌル酸、ジシアンジアミド、またはそれらの誘導体からなる群から選択される。理想的には、ルイス塩基は、カルボン酸からカルボン酸イオンを製造することができ、その結果、このカルボン酸イオンは、ジイソシアネート成分と迅速に反応することができる。ルイス塩基は、同様に、ジイソシアネート成分とジカルボン酸成分との反応において、COを離脱させるための触媒として機能する。相乗効果が、ルイス塩基を使用するカルボン酸イオンの形成およびCOの離脱から生じるのが特に有利であり、そうして、たった1種の触媒または促進剤が必要とされる。
本発明による方法のさらなる実施形態では、本反応は、少なくとも1種の泡安定化剤Eの存在下で行われ、前記安定化剤Eは、好ましくはシロキサンコポリマーを含む。このポリシロキサンコポリマーは、ポリエーテル−ポリジメチルシロキサンコポリマーなどのポリエーテル−ポリシロキサンコポリマーを含む群から好ましくは選択される。
成分Eの割合は、0〜5質量%の範囲、好ましくは0〜3質量%の範囲、とりわけ0〜1質量%の範囲にある。泡安定化剤成分Eが使用される場合、その割合は、好ましくは0.1〜5質量%の範囲、より好ましくは0.3〜3質量%の範囲、とりわけ0.5〜1質量%の範囲にある。
成分A〜Eの総量は、合計が100質量%になる。これは、この反応混合物は、A〜E以外のさらなる成分を含有できるが必要ではないことを意味する。成分A〜Eの量的な列挙は、それらの合計に関して標準化される。
ポリマー発泡体を製造する方法は、少なくとも15℃から最高でも100℃、より好ましくは少なくとも好ましくは15℃から最高でも80℃の範囲の開始温度、とりわけ少なくとも25℃から最高でも75℃の開始温度、より好ましくは少なくとも30℃から最高でも70℃の開始温度で実施することができる。上記の成分の反応は、大気圧で行うことができる。これにより、例えばポリマー発泡体生成のエネルギー必要量が低減される。コア部の焦げの形成に対するより高い温度の悪影響を回避することが同様に可能になり、ガス生成/発泡体形成および粘度上昇が、上記の通り、互いによく調和する。
反応器および反応混合物は、反応が開始する温度に制御される。温度は、反応過程中に上昇し得る。通常、反応が起こる容器は、分離して加熱または冷却されず、したがって、反応熱は、容器壁または空気を介して、周囲環境に除かれる。反応は、ルイス塩基が触媒として作用するという点で、本発明の方法において使用されるルイス塩基成分により加速されるため、本発明の方法は、ジイソシアネート成分とジカルボン酸成分との間に、一層の完全かつ急速な反応をもたらして、アミド成分を形成する。しかし、有利なことに、本反応は、例えばEP0527613A2において記載されている高温条件下で実施する必要がない。
本発明による方法のさらなる実施形態では、本反応は、短鎖ジカルボン酸、およびジまたはポリイソシアネートを用いて実施することができる。これにより、例えば、ブロックコポリマーを製造することが可能になる。
本発明による方法の好ましい実施形態において、ポリマー発泡体を形成する反応は、少なくとも3〜90秒後、とりわけ5〜70秒、最も好ましくは5〜40秒後に開始する。反応の開始は、成分A、B、CおよびDが互いに接触した後、反応して対応する生成物が形成されるという意味として理解すべきである。有利には、外部から加熱した成分または反応器を必要としない。
本発明による方法のさらなる実施形態では、ポリマー発泡体の密度は、好ましくは8g/l〜200g/lの範囲、より好ましくは10g/l〜70g/lの範囲、とりわけ15g/l〜45g/lの範囲にある。これにより、ポリウレタンの場合には得るのが非常に難しい発泡体密度を得ることが、有利にも可能になる。しかし、理想的には、ジイソシアネート成分、すなわち同じように、製造において同様の条件を使用することができる。
この化合物はさらに、少なくとも1種のポリイソシアネートと1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物が縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物を、少なくとも10質量%含むポリイソシアネート、ポリオール、またはそれらのイソシアネート官能性プレポリマー、およびモノマーとしてのポリカルボン酸から誘導されるポリマー発泡体であって、該ポリマー主鎖中にウレタン基、イミド基およびアミド基を含み、好ましくは8g/l〜200g/lの発泡体密度を有する、ポリマー発泡体をもたらす。
本発明はさらに、ポリマー発泡体を製造するための、少なくとも1種のポリイソシアネートと1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物が縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物を、少なくとも10質量%含むポリイソシアネートを使用する方法を提供する。
本発明のためには、重付加生成物は、反応剤が、例えばウレタン形成中に、低分子量の副生物(例えば、水またはCOとして)を形成することなしに、各々とまたは互いに反応する、化学反応生成物である。本発明のためには、重縮合生成物は、2つの反応剤の反応において、少なくとも1つの低分子副生物(例えばアミド形成における二酸化炭素)をもたらす生成物を意味するものとして理解することができる。したがって、ポリグリコール成分は、ジイソシアネート成分と混合されて、重付加生成物を形成することができ、さらに反応してCO形成によりアミド化合物を形成してカルバミン酸無水物を形成する、ジカルボン酸成分とジイソシアネート成分は、重縮合反応として理解することができる。
本発明は、断熱用の、またはエンジニアリング材料としての、本発明のポリマー発泡体を使用する方法をさらに提供する。
断熱に関すると、この使用方法は、好ましくは、冷蔵もしくは冷凍器具、熱水製造もしくは貯蔵用器具、またはそれらの部品の製造用となるもの、あるいは建築物、ビークルまたは電気器具の断熱用となるものの形態をとる。
とりわけ上記の用途では、本発明のポリマー発泡体は、デバイスもしくは電気器具、建築物、またはビークルにおける断熱層を形成させるために使用される。本発明のポリマー発泡体は、電気器具、建築物またはビークルのハウジング全体または外側シェルを形成するために使用することもできる。
エンジニアリング材料として、本発明のポリマー発泡体は、サンドイッチ型コンポジット製造向けのコア発泡体として、好ましくは使用される。このタイプのサンドイッチ型コンポジットは、通常、ポリマー発泡体のコアを有しており、木材、金属、または好ましくはガラス繊維強化プラスチックと共に、パネル加工またはシース加工される。このシース加工用またはパネル加工用プラスチックは、自由選択が可能である。エポキシ樹脂またはポリエステル樹脂がしばしば考えられる。
このタイプのサンドイッチ型コンポジットは、自動車、造船、建造物の建築、または風力発電産業において好ましくは使用される。
本発明のためには、ビークルは、航空機、陸上車または船舶、とりわけ、飛行機、自動車または船である。
当業者であれば、本発明のポリマー発泡体のためのさらなる使用方法に想到し得る。
以下に続く実施例により、本発明をさらに説明する。
以下に続く実施例における分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって決定した。ポリメチルメタクリレート(PMMA)を標準として使用した。使用した溶媒は、ジメチルアセトアミド(DMAc)であった。NCO含有量は、IR分光法によって決定した。
合成は、特に明記しない限り、窒素下で実施した。
MDI−イミドの製造
滴下漏斗、還流コンデンサ、内部温度計およびTeflonチューブを装備した4L4つ口フラスコに、アセトン1500mlに溶解した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物(0.64mol)100gをはじめに投入し、水0.1gを加えた。これに続いて、20℃で、平均モル質量337g/molおよび官能基数2.5(すなわち、1分子あたりイソシアネート基数2.5)を有する、ポリメリック4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(メチレンジフェニレンジイソシアネート)465g(1.38mol)を滴下して加えた。この混合物を撹拌しながら55℃に加熱し、この温度で、さらに撹拌しながら6時間還流した。次に、この混合物をポリメリック4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート1000gにより希釈し、撹拌しながら55℃に加熱した。この混合物を撹拌しながら、55℃で6時間還流した。続いて、アセトンを大気圧で、1時間をかけて留去した。蒸留の終わりに、このようにして得られた残さを、70℃および200mbarにおいて窒素によりストリッピングすると、
27%(IRにより測定)のイソシアネート官能基数
=3200g/mol、M=4850g/mol
/M=1.5
を有するMDI−イミドが得られた。
こうして得られたMDI−イミドを、本明細書の以下において使用し、実施例1のポリマー発泡体を製造した。
ポリマー発泡体の製造
この実施例は、ポリマー発泡体の製造および特性を以下に実証している。本発明の材料は、ブレンダーを使用し、実験室において製造した。特に明記しない限り、反応は開始温度として周囲温度(22℃)で実施した。すなわち、成分は、非温度制御反応器または容器中、周囲温度で反応させ、さらなる補助器を使用することなく、反応熱を周囲環境へと除去した。
以下のポリマー発泡体は、表1に従って、実験室において製造した。室温で固体のジカルボン酸成分を最初に溶融し、ポリオール成分に溶解した。次に、ジオール−ジカルボン酸混合物を、MDI−イミドを用いて実施例1の通りポリイソシアネートと反応させた。20lの体積を有する球状発泡体を製造し、続いて、機械試験を施した。出発物質の組成および試験の結果は、一方は表1に、他方は表2および3に報告されている。
実施例1の本発明のポリマー発泡体に加えて、比較例1および2として、これまで慣用的なポリマー発泡体の2つを、公知の組成から製造した。これには、使用可能なポリマー発泡体にたどり着くのに、複数のポリオール混合物および複数の触媒混合物の使用を必要とした。
そのような様々なポリオールおよび触媒成分は、本反応の方法では、もはや必要としない。本明細書下記の表から明らかな通り、たった1種のポリオール成分およびたった1種の触媒を用いて、優れた特性を有するポリマー発泡体が得られた。
Figure 2015529721
意味は以下の通りである。
酸1:ペンタン二酸 M=132g/mol
酸2:水15部中のメタン酸85部
ポリオール1:平均分子量(MW)420g/molを有するポリプロピレングリコール
ポリオール2:平均モル質量600g/lを有するポリエステルジオール(フタル酸−オレイン酸ポリエステルジオール)
ポリオール3:平均モル質量510g/lおよび平均官能基数2.2を有するポリエステロール(フタル酸−オレイン酸ポリエステルジオール)
ポリオール4:平均分子量(MW)600g/molを有するポリエチレングリコール
ポリオール5:平均分子量(MW)500g/molを有するポリプロピレングリコール
ポリオール6:平均分子量(MW)1040g/molを有するポリプロピレングリコール
ポリオール7:平均分子量(MW)1070g/molを有するポリプロピレングリコール
添加剤:トリ−2−クロロイソプロピルホスフェート
発泡剤1:n−ペンタン
発泡剤2:水
イソ1:平均モル質量337g/molおよび官能基数2.7を有するポリメリックメチレンジフェニレンジイソシアネート
イソ2:平均モル質量362g/molおよび官能基数2.8を有するポリメリックメチレンジフェニレンジイソシアネート
MDI−イミド:ベンゼンテトラカルボン酸二無水物と、上で記載された通り製造した、遊離イソシアネート含有量27%を有するポリメリックメチレンジフェニレンジイソシアネートとに基づくポリイミド
安定化剤1:ポリエーテル−ポリシロキサンコポリマー
安定化剤2:ポリエーテル−ポリジメチルシロキサン
安定化剤3:シリコーン−グリコールコポリマー
安定化剤4:ポリエーテル−ポリジメチルシロキサンコポリマー
触媒1:1−メチルイミダゾール
触媒2:ジプロピレングリコール中のビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル30部
触媒3:ギ酸カリウム40部、水6部、モノエチレングリコール54部
触媒4:N,N−ジメチルシクロヘキシルアミン
(本発明)
ペンタン二酸100部、およびMW420g/molを有するポリプロピレングリコール100部を、ペンタン二酸がすべて溶融するまで、加熱用キャビネット中で、100℃より高くして、一緒に加熱した。次に、この酸−ポリオール混合物をホモジナイズして60℃まで冷却した後、これをポリエーテル−ポリシロキサンコポリマー4部および1−メチルイミダゾール0.8部と一緒に混合した。ベンゼンテトラカルボン酸二無水物およびポリメリックメチレンジフェニレンジイソシアネートに基づいて上記の通り製造したMDI−イミド347部を添加し、続いて実験室撹拌器により7時間激しく混ぜ合わせる。その後、この系を、直接、球状鋳型に注ぎ入れ、ここでこの系は膨張発泡を受けた。こうして製造したポリアミド−ポリウレタン発泡体から試験片を採取し、機械的/熱的試験を施した。
実施例1に対する比較物
表1の、イソ2を除いた組成1の列中における通りの成分を、350部の総回分サイズについて比例して一緒にして秤量し、次にホモジナイズした。この混合物を、実験室撹拌器を用いて490部のイソ2と激しく混合し、次に球状鋳型に注ぎ入れた。剛性発泡体が鋳型中で膨らみ、完全に硬化するまで、この中に放置した。
実施例2に対する比較物
表1の、イソ1を除いた組成2の列中における通りの成分を、400部の総回分サイズについて比例して一緒にして秤量し、次にホモジナイズした。この混合物を、実験室撹拌
器を用いて680部のイソ1と激しく混合し、次に球状鋳型に注ぎ入れた。剛性発泡体が鋳型中で膨らみ、完全に硬化するまで、この中に放置した。
得られた生成物の特性
Figure 2015529721
密度:コア密度[kg/m
DIN 53421/DIN EN ISO 604に対する圧縮強度(N/mm
DIN 53421/DIN EN ISO 604に対する相対変形率[%]
表2により、同じ密度範囲の発泡体を特色とする本発明の実施例が、より大きな圧縮強度を有することが明らかになっている。相対変形率の値も同様に、本発明の発泡体に関してより優れている。
Figure 2015529721
密度:コア密度[kg/m
TGA:DIN EN ISO 11358に対する熱重量分析[℃]、開始試料の重量の95%における絶対値に基づく評価
熱重量分析を施すと、本発明の発泡体は、類似の/比較可能な密度の剛性発泡体よりも熱的に安定であることが分かる。

Claims (15)

  1. 成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分A〜Cを反応させる工程、または成分Dおよび任意に成分Eの存在下、成分Aおよび成分Bからなるイソシアネート官能性プレポリマーと成分Cとを反応させる工程を含む、ポリマー発泡体を製造する方法であって、
    それらの成分が、
    (A)成分Aのうちの10〜100質量%が、少なくとも1種のポリイソシアネート成分と1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物とが縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物である、少なくとも1種のポリイソシアネート成分Aが35〜65質量%、
    (B)少なくとも1種のポリオール成分Bが5〜50質量%、
    (C)少なくとも1種のポリカルボン酸成分Cが1〜59質量%、および
    (D)少なくとも1種のルイス塩基成分Dが0.01〜3質量%、
    (E)少なくとも1種の泡安定化剤成分Eが0〜5質量%、
    であり、且つそれらの総量が100質量%であり、そして
    前記反応が、二酸化炭素を放出しながら行われることを特徴とする方法。
  2. 前記ポリオール成分Bが、200g/mol〜6000g/molの範囲の平均分子量を有する、請求項1に記載の方法。
  3. ポリマー発泡体が、剛性ポリマー発泡体である、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記成分Bが、10mgKOH/g〜1000mgKOH/gの範囲のOH価を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. ポリマー発泡体が、8g/l〜200g/lの範囲の発泡体密度を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ルイス塩基成分Dが、N−メチルイミダゾール、メラミン、グアニジン、シアヌル酸、ジシアンジアミドおよびそれらの誘導体、またはそれらの混合物から選択され、特にN−メチルイミダゾールである、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 反応が、シロキサンコポリマーを含む泡安定化剤成分Eの存在下で行われる、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記ポリオール成分Bが、ポリエーテルポリオールまたはポリエステルポリオールである、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 成分Cが、成分B中の溶質として反応中で使用される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の方法により得ることができる、ポリマー発泡体。
  11. 少なくとも1種のポリイソシアネートと1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物が縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物を、少なくとも10質量%含むポリイソシアネート、
    ポリオール
    または、それらのイソシアネート官能性プレポリマー
    および、
    モノマーとしてのポリカルボン酸
    から誘導されるポリマー発泡体であって、
    ポリマーの主鎖中にウレタン基、イミド基およびアミド基を含み、好ましくは8g/l〜200g/lの発泡体密度を有することを特徴とするポリマー発泡体。
  12. 剛性ポリマー発泡体を製造するための、少なくとも1種のポリイソシアネートと1分子あたり少なくとも3つのCOOH基を有する少なくとも1種のポリカルボン酸またはその無水物が縮合して得られた、ポリイミド基を含む縮合生成物を、少なくとも10質量%含むポリイソシアネートの使用。
  13. 断熱のため、またはエンジニアリング材料としての、請求項10または11に記載のポリマー発泡体の使用。
  14. 冷蔵もしくは冷凍器具、熱水製造もしくは貯蔵用器具、またはそれらの部品の製造用、あるいは建築物、ビークルまたは電気器具の断熱用の、請求項13に記載の使用。
  15. サンドイッチ型コンポジットのコア発泡体としての、請求項13に記載の使用。
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