JP2018100358A - ウレタンアクリレート、アクリル樹脂組成物、硬化物、及び硬化シート - Google Patents

ウレタンアクリレート、アクリル樹脂組成物、硬化物、及び硬化シート Download PDF

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Abstract

【課題】無色透明で、低粘度で、安価であり、硬化物の機械強度、耐熱性、耐光性、柔軟性が優れ、低硬化収縮のウレタンアクリレート及びアクリル樹脂組成物、硬化物、硬化シートを提供すること。【解決手段】ラジカル重合性のウレタンアクリレートであって、多塩基酸と多価アルコールを含む多分岐ポリエステルを用い、平均アクリル官能基数が4以下であるウレタンアクリレート。また、前記ウレタンアクリレートが、前記多分岐ポリエステルの残存水酸基と2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートが反応してなるウレタンアクリレート。【選択図】なし

Description

本発明は、紫外線硬化型のウレタンアクリレート及びそれを用いたアクリル樹脂組成物、硬化物、及び硬化シートに関する。
近年、紫外線硬化樹脂は医薬・薬学から化学工業まで幅広い用途で使用され、ラジカル重合系のアクリル樹脂や、カチオン重合系のエポキシ樹脂などが市販されている。その中でも、ラジカル重合系のアクリル樹脂は、単官能モノマーから多官能モノマー、オリゴマー、ポリマーなど多くの種類が存在する。ウレタンアクリレートもその一つであり、材料設計が容易であることから、これまでにも多くの構造が提案されている。
特にレジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途では、低収縮率が求められ、嵩高い官能基を有するものが使用されることが多く、たとえば分岐ポリマー型アクリレート、ハイパーブランチポリマー型アクリレート、デンドリマー型アクリレートなどが提案されている。
しかしながら、市販のトリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレートなどの3官能アクリレート、あるいはペンタエリスリトールテトラアクリレートなどの4官能アクリレートを加えると、これらを用いた硬化膜では、密着性、機械強度、耐熱性、柔軟性の低下、硬化収縮の増大が起こる問題があった。
また、共栄社化学UA−306Hなどの6官能アクリレート、ヘキサメチレンジイソシアネートのイソシアヌレート体とペンタエリスリトールトリアクリレートからなる9官能アクリレート、新中村化学U−15HAなどのウレタンアクリレートを加えると、柔軟性の低下、硬化収縮の増大が起こるという問題があった。
例えば特許文献1では、2〜3官能のウレタンアクリレートが示されているが、これは高粘度で、これを用いた硬化膜では硬化収縮を抑制することが出来ず、レジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途としては不十分であった。
また特許文献2では、水素添加ジフェニルメタンジイソシアネートとトリメチロールプロパンからなるウレタン型ハイパーブランチポリマーの水酸基末端を2−アクリロイルオキシエチルメタクリレートでアクリル化したウレタンアクリレートが示されているが、これも高粘度であり、これを用いた硬化膜ではアクリル官能基数が多く、高硬度で、硬化収縮を抑制することが出来ず、やはりレジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途としては不十分であった。
また特許文献3では、ポリグリシジルエーテルを重合したハイパーブランチポリマーの残存水酸基を2−アクリロイルオキシエチルメタクリレートでアクリル化したウレタンアクリレートが示されているが、これを用いた硬化膜ではアクリル官能基数が多く、高硬度で、硬化収縮を抑制することが出来ず、やはりレジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途としては不十分であった。
さらに特許文献4では、デンドリマー型アクリレートが示されているが、これも高粘度で、高価であり、これを用いた硬化膜では、高硬度で、レジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途としては不十分であった。
特開2011−21186号公報 特許第4532330号公報 特開2010−150325号公報 特許第2927291号公報
以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、無色透明で、低粘度で、かつ安価であり、硬化物の機械強度や、耐熱性、耐光性、及び柔軟性が優れ、低硬化収縮であるウレタンアクリレート及びアクリル樹脂組成物、硬化物、硬化シートを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る請求項1は、
ラジカル重合性のウレタンアクリレートであって、少なくとも多塩基酸と多価アルコールからなる多分岐ポリエステルを含み、、平均アクリル官能基数が4以下であることを特徴とするウレタンアクリレートである。
前記平均アクリル官能基数とは、一分子中のアクリル官能基の数を示すが、平均官能基数が4以下であれば、硬化収縮が小さく、柔軟性のある硬化物を作成できる。平均官能基数は1以下でも問題なく、必要な塗膜性能により調整できる。
また、本発明に係る請求項2は、
前記ウレタンアクリレートが、前記多分岐ポリエステルの残存水酸基と2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートが反応してなることを特徴とする請求項1に記載のウレタンアクリレートである。
前記2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートは、多分岐ポリエステルの残存水酸基との反応性がよく、ウレタン化とアクリル化が一工程で出来る上、残存水酸基数から官能基数を増やすことなくアクリル化が可能である。
また、本発明に係る請求項3は、
前記ウレタンアクリレートに含まれる前記多価アルコールが、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールのいずれかを少なくとも一種含むことを特徴とする請求項1または2に記載のウレタンアクリレートである。
前記トリメチロールプロパンやペンタエリスリトール、グリセリンは、コストが比較的安い上、柔軟な塗膜を与え、容易に分岐構造をポリエステルに導入可能である。
本発明に係る請求項4は、
前記ウレタンアクリレートに含まれる前記多塩基酸が、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸のいずれかを少なくとも一種含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のウレタンアクリレートである。
前記マレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸は、いずれもコストが比較的安い上、透明で柔軟な塗膜を与えることができる。
本発明に係る請求項5は、
請求項1〜4のいずれかに記載のウレタンアクリレートと、ラジカル重合性アクリル樹脂
と、光重合開始剤からなるアクリル樹脂組成物である。
本発明に係る請求項6は、
請求項5に記載のアクリル樹脂組成物を硬化させてなる硬化物である。
本発明に係る請求項7は、
請求項5に記載のアクリル樹脂組成物をシート状に有してなる硬化シートである。
本発明のウレタンアクリレートは、無色透明で、低粘度で、安価であり、硬化物の機械強度、耐熱性、耐光性柔軟性が優れ、低硬化収縮のアクリル樹脂組成物を提供できる。
また、低硬化収縮であるため、レジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜などの厚膜用途の様々な要求特性に沿った材料設計が容易になる。例えばレジスト材料などの硬化収縮による体積変化を抑制したり、あるいはハードコート材料の硬化により硬化物がカールすることを抑制できるため、これらの材料として最適である。
本実施形態におけるウレタンアクリレートは、液状物をラジカル重合させて固形物にする際に利用されるウレタンアクリレートで、レジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜材料などに利用される組成物である。
本発明者が鋭意研究を重ねた結果、上記レジスト材料、コーティング材料、塗料、自立膜材料などの膜に利用するには、その材料が無色透明で、低粘度であって、さらに硬化物の機械強度や、耐熱性、耐光性、柔軟性が優れており、かつ低い収縮率が必要であることから、本発明のウレタンアクリレートを用いることが最適であるという結論に達した。
以下、このような目的に供するための本発明のウレタンアクリレートについて詳述する。
ウレタンアクリレートで使用される多分岐ポリエステルは、既存の合成法により容易に合成できる。例えば、多塩基酸クロリドと多価アルコールを反応させることによっても得ることができるが、ポリエステルポリオールになるように配合量を調整する必要がある。
本発明のウレタンアクリレートは、既存の合成法により容易に合成できる。例えば、ポリエステルポリオールにポリイソシアネートを反応させ、残存イソシアネートにヒドロキシアルキルアクリレートを反応させることによって得ることができる。
また、本発明のウレタンアクリレートは、例えば、ポリエステルポリオールにアクリロイルオキシアルキルイソシアネートを反応させることによっても得ることができる。
上記の組成物等について、以下に具体的な物質名を列挙する。
(多塩基酸)
本発明の多分岐ポリエステルに使用される多塩基酸としては、特に制限は無いが、例えばマレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸、オルトフタル酸、テレフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸が望ましく、透明性、耐光性、柔軟性などの点から、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸が特に好ましい。
(多価アルコール)
本発明の多分岐ポリエステルに使用される多価アルコールとしては、特に制限は無いが、例えばエチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、2−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールが望ましく、さらに、3官能であるグリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールが特に好ましい。
(ポリイソシアネート)
本発明のウレタンアクリレートに使用されるポリイソシアネートとしては、特に制限は無いが、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、水素添加ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、水素添加キシリレンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート及びそれらのイソシアヌレート三量体が望ましく、透明性、耐光性、柔軟性などの点から、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、水素添加ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、水素添加キシリレンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネートが特に好ましい。
(ヒドロキシアルキルアクリレート)
本発明のウレタンアクリレートに使用されるヒドロキシアルキルアクリレートとしては、特に制限は無いが、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、6−ヒドロキシヘキシルアクリレートが望ましく、2−ヒドロキシエチルアクリレートが特に好ましい。
(アクリロイルオキシアルキルイソシアネート)
本発明のウレタンアクリレートに使用されるアクリロイルオキシアルキルイソシアネートとしては、特に制限は無いが、2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート、4−アクリロイルオキシブチルイソシアネート、6−アクリロイルオキシヘキシルイソシアネートが望ましく、2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートが特に好ましい。
(アクリル樹脂組成物)
本発明で使用されるラジカル重合性アクリル樹脂組成物には特に制限はなく、例えば、多価アルコールのアクリル酸エステルのような多官能アクリレート、ポリイソシアネート、多価アルコール及びアクリル酸のヒドロキシアルキルエステル等から合成されるウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、エポキシアクリレートなども必要に応じて好適に使用することができる。
(反応性希釈剤)
また、上記ポリマー及びオリゴマーだけでなく、反応性希釈剤として、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオール(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート等の2官能以上のモノマー及びオリゴマー並びに単官能モノマー、例えばN-ビニルピロリドン、エチルアクリレート、プロピルアクリレート等のアクリル酸エステル類、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、イソオクチルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、ノニルフェニルメタクリレート等のメタクリル酸エステル類、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、及びそのカプロラクトン変成物などの誘導体、スチレン、α−メチルスチレン、アクリル酸等及びそれらの混合物、などを使用することもできる。
(重合開始剤)
本発明で使用される重合開始剤には特に制限はなく、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンジルメチルケタールなどのベンゾインとそのアルキルエーテル類、あるいはアセトフェノン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、などのアセトフェノン類、またはメチルアントラキノン、2−エチルアントラキノン、2−アミルアントラキノンなどのアントラキノン類、またはチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン、2,4−ジイソプロピルチオキサントンなどのチオキサントン類、さらにアセトフェノンジメチルケタール、ベンジルジメチルケタールなどのケタール類、あるいはベンゾフェノン、4,4−ビスメチルアミノベンゾフェノンなどのベンゾフェノン類、アゾ化合物などがある。
また、本発明のウレタンアクリレートを含む組成物には、トリエタノールアミンなどの3級アミンや4−ジメチルアミノ安息香酸エチル安息香酸誘導体などの光重合開始助剤、トルエン、酢酸エチル、メチルエチルケトンなどの溶剤、界面活性剤、帯電防止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、レベリング剤、シランカップリング剤などの各種添加剤、顔料、染料などの色素、及び無機物が使用できる。
以上、本発明のウレタンアクリレート及びアクリル樹脂組成物に使用できる主な構成成分を示した。
次に、自立膜の硬化シートの製造方法を例に挙げて、本発明のウレタンアクリレートの使用方法を説明する。
(硬化シートの製造方法)
本発明のウレタンアクリレートを用いた自立膜の硬化シートの基材となるシート及びフィルム、ガラス、成形体などは任意のものが使用できる。
本発明のウレタンアクリレートを含む組成物は、ロールコーター、リバースロールコーター、グラビアコーター、ナイフコーター、バーコーター等により基材に塗工し、必要に応じて加熱乾燥した後、塗工面には、必要に応じてPET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PE(ポリエチレン)、PP(ポリプロピレン)、Ny(ナイロン)などの保護フィルムを使用することもできる。
本発明のウレタンアクリレートを含む組成物は、UVあるいはEBなどの活性エネルギー線で硬化するが、UVを使用する場合は、高圧水銀灯、低圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、カーボンアーク、キセノンアーク等の光源が利用でき、高圧水銀灯やメタルハライドランプが望ましい。
(硬化物・シート作成方法)
本発明のアクリル樹脂組成物を、PET上にグラビアコーターで塗工し、乾燥した後、NN雰囲気下メタルハライドランプで表面から露光した後、PETフィルムを剥離すると、本発明のシートを得ることができる。
以下、本発明を実施例及び比較例をあげて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(合成例1 多分岐ポリエステルaの合成)
反応容器にアジピン酸(3.0モル)、トリメチロールプロパン(2.0モル)を入れ、窒素置換した後、150℃まで撹拌しながら1時間加熱した後、生成した水を除去して、さらにブタノール(1.0モル)を入れ、窒素置換した後、180℃まで撹拌しながら1時間加熱し、得られた多分岐ポリエステルポリオールaを取り出した。多分岐ポリエステルポリオールaは、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)によるポリスチレン換算の数平均分子量が1400(水酸基価60mg)で、平均水酸基数は1.5であった。
(合成例2 多分岐ポリエステルbの合成)
反応容器にコハク酸(3.0モル)、ペンタエリスリトール(3.0モル)を入れ、窒素置換した後、150℃まで撹拌しながら1時間加熱した後、生成した水を除去して、さらにブタノール(1.0モル)を入れ、窒素置換した後、180℃まで撹拌しながら1時間加熱し、得られた多分岐ポリエステルポリオールbを取り出した。多分岐ポリエステルポリオールbは、GPCによるポリスチレン換算の数平均分子量1600(水酸基価130mg)で、平均水酸基数は3.7であった。
(合成例3 ウレタンアクリレートAの合成)
反応容器に、上記の多分岐ポリエステルポリオールa(1.0モル)と2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート(3モル)、p−メトキシフェノール(0.2モル)をいれ、60℃まで撹拌しながら加熱した後、ジラウリン酸ジブチルすず(0.03モル)をいれ、80℃で1時間加熱し、得られたウレタンアクリレートAを取り出した。
(合成例4 ウレタンアクリレートBの合成)
反応容器に、上記の多分岐ポリエステルポリオールa(1.0モル)と2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート(7モル)、p−メトキシフェノール(0.3モル)をいれ、60℃まで撹拌しながら加熱した後、ジラウリン酸ジブチルすず(0.05モル)をいれ、80℃で1時間加熱し、得られたウレタンアクリレートBを取り出した。
<実施例1>
(アクリル樹脂組成物1Cの作成)
得られたウレタンアクリレートAを50重量部、市販のウレタンアクリレートであるNKオリゴUA-1280MK(新中村化学工業株式会社)を50重量部、光重合開始剤としてIrgacure184(BASFジャパン株式会社)を3重量部混合し、アクリル樹脂組成物1Cを得た。なお、上記のNKオリゴUA-1280MKは多分岐を持たないポリエステルからなるウレタンアクリレートである。
(硬化膜1Gの作成)
得られたアクリル樹脂組成物1CをPETフィルム(東レ・ルミラーT60:50μm厚)にワイヤーバーで乾燥厚み30μmに塗工し、N雰囲気下、メタルハライドランプで300mj/cm照射して硬化させた後、PETフィルムから剥離して、硬化膜1Gを得た。
<実施例2>
(アクリル樹脂組成物2Dの作成)
得られたウレタンアクリレートBを30重量部、NKオリゴUA-1280MK(新中村化学工業株式会社)を70重量部、Irgacure184(BASFジャパン株式会社)を3重量部混合し、アクリル樹脂組成物2Dを得た。
(硬化膜2Hの作成)
得られたアクリル樹脂組成物2DをPETフィルム(東レ ルミラーT60:50μm厚)にワイヤーバーで乾燥厚み30μmに塗工し、N雰囲気下、メタルハライドランプで300mj/cm照射して硬化させた後、PETフィルムから剥離して、硬化膜2Hを得た。
<比較例1>
(アクリル樹脂組成物3Eの作成)
市販の多官能ウレタンアクリレートであるNKオリゴ U-15HA(新中村化学工業株式会社、15官能ウレタンアクリレート)を50重量部、NKオリゴUA-1280MK(新中村化学工業株式会社)を50重量部、Irgacure184(BASFジャパン株式会社)を3重量部混合し、アクリル樹脂組成物3Eを得た。
(硬化膜3Iの作成)
アクリル樹脂組成物3EをPETフィルム(東レ ルミラーT60:50μm厚)にワイヤーバーで乾燥厚み30μmに塗工し、N雰囲気下、メタルハライドランプで300mj/cm照射して硬化させた後、PETフィルムから剥離して、硬化膜3Iを得た。
<比較例2>
(アクリル樹脂組成物4Fの作成)
市販の多官能ウレタンアクリレートであるSTAR-501(大阪有機化学工業株式会社、デンドリマー構造を持つ多官能アクリレート)を30重量部、NKオリゴUA-1280MK(新中村化学工業株式会社)を70重量部、Irgacure184(BASFジャパン株式会社)を3重量部混合し、アクリル樹脂組成物4Fを得た。
(硬化膜4Jの作成)
アクリル樹脂組成物4FをPETフィルム(東レ ルミラーT60:50μm厚)にワイヤーバーで乾燥厚み30μmに塗工し、N雰囲気下、メタルハライドランプで300mj/cm照射して硬化させた後、PETフィルムから剥離して、硬化膜4Jを得た。
次に、以上により得られた各アクリル樹脂組成物および各硬化膜について、以下のように測定評価を実施した。
(アクリル樹脂組成物の収縮率測定)
各アクリル組成物1C、2D、3E、4Fに関して、樹脂収縮率応力測定装置EU201(センテック/現アクロエッジ株式会社)を用いて、収縮率を測定した。硬化膜のカールに影響を与える収縮率は、3%以下を○、3%超を×と判定した。
(硬化膜の引張強度/伸度測定)
各硬化膜1G、2H、3I、4Jに関して、PET基材から剥離した後、小型卓上試験機EZ-LX(島津製作所) を用いて、ロードセル:1kN、引張り速度:5mm/min、チャック間距離:50mmの条件で引張強度及び引張伸度を測定した。機械的な強度に影響を与える引張強度は30N/mm以上、引張伸度は5.0%以上を○と判定し、それ以下は×と判定した。
(硬化膜の硬度測定)
各硬化膜1G、2H、3I、4Jに関して、PET基材から剥離した後、ナノインデンター(米MTSシステム社) を用いて、Allowable drift rate: 0.1、Surface approach velocity: 2、最大押込み深さ: 1000nm、ポアソン比:0.25の条件で硬度を測定した。擦傷性や復元性に影響を与える硬度は、0.1GPa〜5GPaを○と判定した。
上記の混合組成を表1に示す。
Figure 2018100358
上記の各測定による評価結果を表2に示す。
Figure 2018100358
上記の実施例1は官能基数1.5のウレタンアクリレートAを含み、実施例2は官能基数3.7のウレタンアクリレートBを含むものであって、本発明のウレタンアクリレート及びアクリル樹脂組成物を用いて硬化した硬化物である。
これらを用いて評価した結果、いずれも硬化収縮率が小さく、引張強度や引張伸度の機械強度が高く、かつ硬度も最適な値が得られた。
一方、比較例1及び比較例2での評価結果は、硬化収縮率が大きく、引張伸度においても5%以下の値となり、機械特性が不充分であった。
以上のように本発明のウレタンアクリレート及びアクリル樹脂組成物は、芳香族成分を含まないために無色透明で、耐光性に優れているだけでなく、低粘度で安価であり、かつ硬化物の機械強度、柔軟性が優れ、低硬化収縮のアクリル樹脂組成物を提供できることが明らかになった。

Claims (7)

  1. ラジカル重合性のウレタンアクリレートであって、少なくとも多塩基酸と多価アルコールからなる多分岐ポリエステルを含み、平均アクリル官能基数が4以下であることを特徴とするウレタンアクリレート。
  2. 前記ウレタンアクリレートが、前記多分岐ポリエステルの残存水酸基と2−アクリロイルオキシエチルイソシアネートが反応してなることを特徴とする請求項1に記載のウレタンアクリレート。
  3. 前記ウレタンアクリレートに含まれる前記多価アルコールが、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールのいずれかを少なくとも一種含むことを特徴とする請求項1または2に記載のウレタンアクリレート。
  4. 前記ウレタンアクリレートに含まれる前記多塩基酸が、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、アジピン酸のいずれかを少なくとも一種含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のウレタンアクリレート。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のウレタンアクリレートと、ラジカル重合性アクリル樹脂と、光重合開始剤からなるアクリル樹脂組成物。
  6. 請求項5に記載のアクリル樹脂組成物を硬化させてなる硬化物。
  7. 請求項5に記載のアクリル樹脂組成物をシート状に有してなる硬化シート。
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