JP2018193369A - 光学レンズ用イソシアネート組成物およびその製造方法 - Google Patents

光学レンズ用イソシアネート組成物およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】優れた光学的性質を有するポリチオウレタン系レンズの製造原料として用いられるキシリレンイソシアネート系組成物、およびこれを用いて得られる光学レンズの製造方法の提供。【解決手段】イソシアネート組成物はアミン組成物から調製され、これは(a)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種とを含む。したがって、ポリチオウレタンの調製に用いられるイソシアネート組成物を、その合成において特定の組成に制御することができ、これは高い品質をもつ光学レンズを都合よく製造することを可能にする。【選択図】なし

Description

実施形態は、光学レンズ用イソシアネート組成物およびその製造方法に関する。より具体的には、実施形態は、優れた光学的性質を有するポリチオウレタン系レンズの製造に原料として用いられるキシリレンイソシアネート系組成物、ポリチオウレタン、およびこれを用いて得られる光学材料に関する。
プラスチック光学材料は、無機材料例えばガラスからなる光学材料と比較して、軽量で、壊れにくく、染色性に優れているため、種々の樹脂からなるプラスチック材料が眼鏡レンズ、カメラレンズなどのための光学材料として広く用いられている。最近では、高い透明性、高い屈折率、低い比重、高い耐熱性、および高い衝撃抵抗のような性質を有する高性能の光学材料に需要がある。
ポリチオウレタンは、それらの優れた光学特性と優れた機械的性質のために光学材料として広く用いられている。ポリチオウレタンは、チオールとイソシアネートとを反応させることによって調製されるであろう。ポリチオウレタンから製造されたレンズは、高い屈折率、軽量、および比較的高い衝撃抵抗を有するため、広く用いられている。
ポリチオウレタンの原料として用いられるイソシアネートは、イソシアネート中の官能基の数および位置に依存して様々な構造を有するポリチオウレタンを製造可能である。このため、イソシアネートは、ポリチオウレタンから製造される製品の物理的性質に重大な影響をもつ。したがって、最終製品に望ましい性質を与えることができる、ある特定の種類のイソシアネートが用いられる。
特に、キシリレンジイソシアネート(XDI)は、脂環式イソシアネートの特性(たとえば、黄変に対する耐性、容易に制御可能な反応性など)および脂肪族イソシアネートの特性(たとえば、優れた機械的性質、高い屈折率など)の両方を有するため、それぞれの特性を利用することによって、光学レンズの優れた性質を実現することができる。
韓国公開特許第2012−0076329号公報(2012年7月9日)
キシリレンジイソシアネートは、ジイソシアネート基の相対位置によって、o−XDI(オルト−XDI)、m−XDI(メタ−XDI)、およびp−XDI(パラ−XDI)に分類される。これらのうちm−XDIは光学レンズ用の原料として最も広く用いられている。というのは、これは光学レンズの物理的性質に好適で、市場で入手できるためである。
しかし、市販のm−XDIは、精製されていても、少量の異種の成分たとえば異性体およびモノイソシアネートを含みがちである。これらの異種の成分は製品を製造する時点で副反応を起こし、これは製品の物理的性質を劣化させ、長期貯蔵には好ましくなく、結局は高レベルの透明性および光学特性が特に要求される光学レンズの分野において種々の問題を引き起こす。
したがって、製品の製造前に、m−XDIの原料に含まれている異種の成分を除去することが必要である。しかし、これらの異種の成分は、キシリレンジイソシアネートの原料であるキシリレンジアミンを調製する時点でも生成する。さらに、それらの化学構造および化学的性質は非常に類似しているので、従来の方法によって同定することが困難であった。また、全種類の異種の成分を除去することは、非効率なだけでなく、プロセスを複雑にして高いコストを招く。
したがって、本発明者らは、m−XDIの原料に取り込まれうる多くの異種の成分を研究し、光学レンズに要求される性質に特に重大な影響をもつ成分を見出すことに努めた。その結果、m−XDIの原料に含まれるある特定の異種の成分の含有量を制御することによって光学レンズの性質を効果的に満足させることができることを見出した。
したがって、以下に説明する実施形態は、m−XDIの原料に含まれる異種の成分のうち、光学レンズに要求される物理的性質に著しく影響する成分の種類および含有量を同定し制御することによって、光学レンズの物理的性質を効果的に満足させる方法を提供することを目的とする。
特に、実施形態は、精製することが困難であるイソシアネート自体を直接制御するよりも、イソシアネートの合成用の原料として用いられるアミンを制御することによって、イソシアネートの合成において、イソシアネート成分を望ましい組成に容易に調整する方法を提供することを目的とする。
実施形態によれば、m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し、前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し、前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成する、イソシアネート組成物の製造方法を提供する。
実施形態によれば、組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含む、イソシアネート組成物を提供する。
実施形態によれば、イソシアネート組成物と、チオールとを含み、前記イソシアネート組成物は、イソシアネート組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含む、重合性組成物を提供する。
実施形態によれば、イソシアネート組成物およびチオールから調製されたポリチオウレタンを含み、前記イソシアネート組成物は、組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含む、光学材料を提供する。
実施形態によれば、m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し、前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し、前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成してイソシアネート組成物を調製し、前記イソシアネート組成物をチオールと混合して混合物をモールド中で熱硬化させることを含む、光学レンズの製造方法を提供する。
実施形態によれば、ポリチオウレタン系光学レンズの製造に用いられるイソシアネートの組成を制御することによって、高品質の光学レンズを製造することができる。
すなわち、99重量%以上の高品質光学レンズ用のm−XDIを含み、制御された量の、光学レンズの物理的性質を劣化させうる特定の種類の異性体およびモノイソシアネートを有するイソシアネート組成物を用いることによって、最終的な光学レンズの物理的性質を効果的に満足させることができる。
すなわち、前記イソシアネート組成物から調製したポリチオウレタンは、光学レンズに基本的に要求される、屈折率、アッベ数、透明性などのような性質だけでなく、黄色度、脈理、曇り、ガラス転移温度、機械的性質などのような特性も満足させることができる。
以下、例を参照して本発明を詳細に説明する。例は以下に説明するものに限定されない。むしろ、本発明の主旨が変更されない限り、これらを種々の形態に修正してもよい。
本明細書において、ある部分がある要素を「含む」という場合、その部分は他の要素も含みうると理解されたい。
さらに、本明細書において用いた、成分の量、反応条件などに関する全ての数値および表現は、別段の指示がない限り、「約」という用語によって修飾されると理解されたい。
本明細書において用いた、第1、第2などの用語は、種々の要素を記述するが、要素を用語によって限定すべきではない。前記用語は、1つの要素を他から区別する目的のためにのみ用いられる。
実施形態によれば、m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し、前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し、前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成する、イソシアネート組成物の製造方法を提供する。
以下、各々の工程を詳細に説明する。
m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物は、第1のアミン組成物を調製する工程において調製される。
第1のアミン組成物は、市販されているものを購入することによって調製してもよい。
第1アミン組成物は、主成分としてm−キシリレンジアミンを含む。しかし、第1のアミン組成物は、主成分としてm−キシリレンジアミンに加えて、異性体(たとえば、p−キシリレンジアミン)およびモノイソシアネート(たとえば、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、4−シアノベンジルアミンなど)を含んでいてもよい。これらは、主成分としてのm−キシリレンジアミンの合成中に副生物として生成するであろう。
以下、m−キシリレンジアミンの製造方法を説明しながら、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンが生成される工程を説明する。
m−キシリレンジアミンを製造するためには、まず従来のBTX法でナフサ原料を触媒改質することによって芳香族混合物を得て、次いで芳香族混合物からm−キシレンを抽出する。
続いて、下の反応スキーム1に示すように、m−キシレンからイソフタロニトリルを調製し(工程A)、イソフタロニトリルからm−キシリレンジアミンを調製する(工程B)。
Figure 2018193369
たとえば、m−キシレンからのm−キシリレンジアミンの調製は、米国特許第8,212,080号に記載されているように、以下の工程を含む方法によって行うことができる:(i)触媒の存在下でアンモニアと酸素含有ガスとの気相触媒反応によってm−キシレンをアンモ酸化してジシアノベンゼンを含むアンモ酸化ガスを生成させ、(ii)アンモ酸化ガスを有機溶媒と直接接触させてジシアノベンゼンを有機溶媒に吸収させ、それによってジシアノベンゼンを含む溶液を得て、(iii)ジシアノベンゼンを含む溶液を蒸留して、ジシアノベンゼンよりも低い沸点を有する化合物の一部または全部を有機溶媒とともに除去して、溶融ジシアノベンゼンを得て、(iv)溶融ジシアノベンゼンを液体アンモニア溶媒または1種以上の芳香族炭化水素と液体アンモニアとの混合溶媒に溶解して溶液を得て、(v)溶液中の不溶成分の一部または全部を除去して液体を分離し、(vi)触媒の存在下で液体中に含まれたままの液相中において、ジシアノベンゼンを水素化することを含む。
上記合成経路を通して得られる第1アミン組成物は、m−キシリレンジアミンに加えて、異性体、モノイソシアネートなどをさらに含む。
一例として、第1のアミン組成物は、p−キシリレンジアミンをさらに含みうる。具体的には、BTX法で抽出されたm−キシレン中にp−キシレンの一部が含まれているかもしれず、p−キシレンは上記工程AおよびB(下記反応スキーム2参照)を通してp−キシリレンジアミンに変換されているかもしれない。
Figure 2018193369
他の例として、第1のアミン組成物はベンジルアミンをさらに含みうる。
具体的には、トルエンの一部がBTX法で抽出されたm−キシレン中に含まれているかもしれず、トルエンは上記工程AおよびB(下記反応スキーム3参照)を通してベンジルアミンに変換されているかもしれない。
Figure 2018193369
他の例として、第1のアミン組成物は4−メチルベンジルアミンをさらに含みうる。
具体的には、p−キシレンの一部がBTX法で抽出されたm−キシレンに含まれているかもしれず、p−キシレン中のメチル基の1つのみが上記工程Aの反応に関与して1−シアノ−4−メチルベンゼン(またはp−トルニトリル)を生成し、これが上記の工程B(下記のスキーム4を参照)を通して4−メチルベンジルアミンに変換されるかもしれない。
Figure 2018193369
他の例として、第1のアミン組成物は4−シアノベンジルアミンをさらに含みうる。
具体的には、p−キシレンの一部がBTX法で抽出したm−キシレンに含まれているかもしれず、p−キシレンは上記工程Aを通してp−ジシアノベンゼン(またはテレフタロニトリル)に変換されるかもしれない。その後、p−ジシアノベンゼン中のシアノ基の1つのみが上記工程Bの反応に関与して4−シアノベンジルアミンを生成する(以下のスキーム5参照)。
Figure 2018193369
したがって、第1のアミン組成物は、(a)m−キシリレンジアミン、(b)p−キシリレンジアミン、ならびに(c)ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1つを含みうる。
第1アミン組成物に含まれる成分(a)ないし(c)の各々の含有量は特に限定されない。
一例として、第1のアミン組成物は、(a)90重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0重量%超ないし5重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0重量%超ないし5重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種とを含みうる。
他の例として、第1のアミン組成物は、(a)90重量%ないし99重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0.5重量%超ないし5重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0.5重量%超ないし5重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種とを含みうる。
アミン組成物中の成分(b)および(c)の含有量が上述したとおりである場合、通常の用途での使用に関していかなる特別な問題も生じない。しかし、アミン組成物を光学レンズ用途に使用すれば、成分(b)および(c)の含有量が製品の光学特性に影響を与えうる。したがって、アミン組成物に含まれる成分(b)および(c)の含有量を、以下の手法によって適切に調整することが必要である。
第2のアミン組成物を得る工程において、上で調製した第1のアミン組成物中のp−キシリレンジアミン、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンの少なくとも1種を減少させ、それによって第2のアミン組成物を得る。
好ましくは、第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミンの含有量と、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンの少なくとも1種の含有量を減少させて、組成を制御した第2のアミン組成物を得る。
より好ましくは、第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのすべての含有量を減少させて、組成を制御した第2のアミン組成物を得る。
例として、第1のアミン組成物中の各々のアミン成分の含有量を、それらの沸点および凝固点の相違を利用することによって制御し、第2のアミン組成物を得る。各々のアミン成分の沸点および凝固点を下の表1にまとめる。
Figure 2018193369
たとえば、蒸留、再結晶などの方法を通して、組成物中のアミン成分の含有量を制御することによって、第2のアミン組成物を調製してもよい。
一例によれば、p−キシリレンジアミンおよび4−シアノベンジルアミンの含有量を、これらとm−キシリレンジアミンとの間の凝固点の相違に基づいて、再結晶により沈殿した化合物を除去することによって制御してもよい。ベンジルアミンおよび4−メチルベンジルアミンの含有量を、これらとm−キシリレンジアミンとの間の沸点の相違に基づいて、蒸留によりこれらを除去することによって制御してもよい。
具体的な例によれば、第2のアミン組成物を得る工程を、第1のアミン組成物を減圧下で100ないし185℃加熱しながら蒸留組成物を除去すること、および第1のアミン組成物を15ないし18℃に冷却しながら沈殿化合物を除去することのうち少なくとも一方を含む方法によって行ってもよい。
他の具体的な例によれば、第2のアミン組成物を得る工程を、第1のアミン組成物を減圧下で100ないし185℃加熱しながら蒸留組成物を除去し、次いで第1のアミン組成物を15ないし18℃に冷却しながら沈殿化合物を除去することによって行ってもよい。
この場合、加熱中に蒸留する化合物はベンジルアミンおよび4−メチルベンジルアミンを含んでいてもよく、冷却中に沈殿する化合物はp−キシリレンジアミンおよび4−シアノベンジルアミンを含んでいてもよい。
さらに、蒸留を減圧下で行うので、前記化合物(ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミンなど)を、第1のアミン組成物をそれらの沸点より低い温度(100ないし185℃)に加熱したとしても、除去することができる。より具体的な例として、減圧下で温度を100ないし185℃、120ないし180℃、140ないし180℃、160ないし180℃、120ないし160℃、または140ないし160℃に上げることによって、蒸留を行ってもよい。
その組成を明確に制御した第2のアミン組成物を、上の手順によって得てもよい。
たとえば、第2のアミン組成物は、99重量%ないし100重量%未満、具体的には99.5重量%ないし100重量%未満、より具体的には99.7重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミン(m−XDA)を含んでいてもよい。
さらに、第2のアミン組成物は、0重量%超ないし0.5重量%、具体的には0重量%超ないし0.3重量%、より具体的には0重量%超ないし0.15重量%のp−キシリレンジアミン(p−XDA)を含んでいてもよい。
また、第2のアミン組成物は、0重量%超ないし0.5重量%、具体的には0重量%超ないし0.3重量%、より具体的には0重量%超ないし0.15重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
この場合、第2のアミン組成物は、0重量%超ないし0.15重量%、具体的には0重量%超ないし0.1重量%、より具体的には0重量%超ないし0.05重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンの各々を含んでいてもよい。
好ましい例によれば、第2のアミン組成物は、組成物の全重量に基づいて、(a)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種とを含んでいてもよい。
他の好ましい例によれば、第2のアミン組成物は、組成物の全重量に基づいて、(a)99.7重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0重量%超ないし0.15重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0重量%超ないし0.15重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種とを含んでいてもよい。
他の好ましい例によれば、第2のアミン組成物は、組成物の全重量に基づいて、(a)99.7重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、(b)0重量%超ないし0.15重量%のp−キシリレンジアミンと、(c)0重量%超ないし0.05重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンの各々とを含んでいてもよい。
イソシアネート組成物を調製する工程においては、イソシアネートを第2のアミン組成物から合成し、それによってイソシアネート組成物を製造する。
イソシアネートを、アミンからホスゲン法または非ホスゲン法によって合成してもよい。
ホスゲン法の例によれば、下の反応スキーム6に示すように、アミンを塩酸と30℃以下の温度でエステル系溶媒中において反応させてアミン塩酸塩を得て、その後これをホスゲンと120ないし170℃で反応させ、それによってイソシアネートを合成してもよい。
Figure 2018193369
非ホスゲン法の例によれば、下の反応スキーム7に示すように、アミンをハロC1−10アルキルクロロホルメートまたはハロジC1−10アルキルクロロカーボネートと反応させてビスカルバメートを調製し、その後これを触媒の存在中、130ないし250℃で溶媒中において熱分解させ、それによってイソシアネートを合成してもよい。
Figure 2018193369
上の反応スキーム7において、RはハロC1−10アルキルである。
ここで、ハロはフルオロ、クロロ、ブロモ、またはヨードでよい。
好ましくは、イソシアネート組成物を調製する工程を、第2のアミン組成物をホスゲンまたはハロC1−10アルキルホルメートと反応させることによって行ってもよい。
上の反応スキーム6および7に示すように、組成物中のm−キシリレンジアミンを上の合成経路を通してm−キシリレンジイソシアネートに変換する。
また、以下の反応スキーム8ないし11に示すように、組成物中のp−キシリレンジアミンをp−キシリレンジイソシアネートに変換し、ベンジルアミンをベンジルイソシアネートに変換し、4-メチルベンジルアミンを4-メチルベンジルイソシアネートに変換し、4-シアノベンジルアミンを4-シアノベンジルイソシアネートに変換する。
Figure 2018193369
実施形態によれば、m−キシリレンジアミンの含有量を増加させ、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4-メチルベンジルアミン、および4-シアノベンジルアミンを減少させたアミン組成物を用いるので、それから調製したイソシアネート組成物は増加した含有量のp−キシリレンジイソシアネートおよび減少した含有量のp−キシリレンジイソシアネート、ベンジルイソシアネート、4-メチルベンジルイソシアネート、および4-シアノベンジルイソシアネートを有するであろう。
実施形態によれば、アミンの種類および含有量を制御した組成物から調製したイソシアネート組成物を提供する。
すなわち、実施形態によれば、組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含むイソシアネート組成物を提供する。
実施形態によるイソシアネート組成物は、99重量%ないし100重量%未満、具体的には99.5重量%ないし100重量%未満、より具体的には99.7重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネート(m−XDI)を含んでいてもよい。
実施形態によるイソシアネート組成物は、0重量%超ないし0.5重量%、具体的には0重量%超ないし0.3重量%、より具体的には0重量%超ないし0.15重量%のp−キシリレンジイソシアネート(p−XDI)を含んでいてもよい。
実施形態によるイソシアネート組成物は、0重量%超ないし0.5重量%、具体的には0重量%超ないし0.3重量%、より具体的には0重量%超ないし0.2重量%、または0重量%超ないし0.15重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
この場合、実施形態によるイソシアネート組成物は、0重量%超ないし0.15重量%、具体的には0重量%超ないし0.1重量%、より具体的には0重量%超ないし0.05重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートの各々を含んでいてもよい。
m−キシリレンジイソシアネートが組成物中に上の好ましい範囲未満の量で含まれているならば、組成物の重合反応性および硬化生成物の化学構造における不均一のために、最終製品の光学特性(特に、脈理、透過率など)だけでなく、機械的性質(たとえば衝撃抵抗、引張強度など)も損なわれるであろう。さらに、その中に組み込まれた他の成分によっては黄変も起こるであろう。
p−キシリレンジイソシアネートが組成物中に上の好ましい範囲を超える量で含まれているならば、反応性の違いによって起こる不均一な重合のため、またはポリマーの化学構造の変化によって起こる結晶化のため、脈理が生じるか、透過率が低下するので、光学特性が損なわれるであろう。
ベンジルイソシアネートが組成物中に上の好ましい範囲を超える量で含まれているならば、組成物中の官能基の平均数の減少のため、組成物の当量比が変化し、これはポリマーの化学構造に影響し、最終製品の機械的性質または耐熱性たとえばガラス転移温度の劣化をもたらす。
4−メチルベンジルイソシアネートが組成物中に上の好ましい範囲を超える量で含まれているならば、組成物中の官能基の平均数の減少のため、組成物の当量比が変化し、これはポリマーの化学構造に影響し、最終製品の機械的性質または耐熱性たとえばガラス転移温度の劣化をもたらす。
4−シアノベンジルイソシアネートが組成物中に上の好ましい範囲を超える量で含まれているならば、組成物中の官能基の平均数の減少のため、組成物の当量比が変化し、これはポリマーの化学構造に影響し、最終製品の機械的性質または耐熱性たとえばガラス転移温度の劣化をもたらす。さらに、シアノ基の影響のため、レンズを製造するための熱硬化時、または外部環境によってはレンズの製造後に黄変が生じ、それによってレンズの長期信頼性に深刻な害を生じさせるかもしれない。
したがって、その組成を上述したように制御したイソシアネート組成物から製造した製品は優れた光学特性を満足することができ、光学材料、特にプラスチック光学レンズの製造に有利に使用することができる。
実施形態によれば、上述したイソシアネート組成物とチオールとを含む重合性組成物を提供する。
すなわち、実施形態によれば、イソシアネート組成物と、チオールとを含み、前記イソシアネート組成物は、イソシアネート組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含む、重合性組成物を提供する。
重合性組成物は、イソシアネート組成物とチオールとを混合状態でまたは分離状態で含んでいてもよい。すなわち、重合性組成物中のイソシアネート組成物およびチオールは、互いに接触して配合された状態でも、互いに接触しないように互いから分離された状態でもよい。
重合性組成物において、組成物中のSH基/NCO基のモル比は、0.5ないし3.0、より具体的には0.8ないし1.3でよい。
チオールはチオールオリゴマーまたはポリチオールでもよく、単独でまたはそれらの2以上の混合物として用いてもよい。
チオールの具体的な例は、3,3’−チオビス[2−[(2−メルカプトエチル)チオ]−1−プロパンチオール、ビス(2−(2−メルカプトエチルチオ)−3−メルカプトプロピル)スルフィド、4−メルカプトメチル−1,8−ジメルカプト−3,6−ジチアオクタン、2,3−ビス(2−メルカプトエチルチオ)プロパン−1−チオール、2,2−ビス(メルカプトメチル)−1,3−プロパンジチオール、ビス(2−メルカプトエチル)スルフィド、テトラキス(メルカプトメチル)メタン、2−(2−メルカプトエチルチオ)プロパン−1,3−ジチオール、2−(2,3−ビス(2−メルカプトエチルチオ)プロピルチオ)エタンチオール、ビス(2,3−ジメルカプトプロパニル)スルフィド、ビス(2,3−ジメルカプトプロパニル)ジスルフィド、1,2−ビス[(2−メルカプトエチル)チオ]−3−メルカプトプロパン、1,2−ビス(2−(2−メルカプトエチルチオ)−3−メルカプトプロピルチオ)エタン、2−(2−メルカプトエチルチオ)−3−2−メルカプト−3−[3−メルカプト−2−(2−メルカプトエチルチオ)−プロピルチオ]プロピルチオ−プロパン−1−チオール、2,2−ビス−(3−メルカプト−プロピオニルオキシメチル)−ブチルエステル、2−(2−メルカプトエチルチオ)−3−(2−(2−[3−メルカプト−2−(2−メルカプトエチルチオ)−プロピルチオ]エチルチオ)エチルチオ)プロパン−1−チオール、(4R、11S)−4,11−ビス(メルカプトメチル)−3,6,9,12−テトラチアテトラデカン−1,14−ジチオール、(S)−3−((R−2,3−ジメルカプトプロピル)チオ)プロパン−1,2−ジチオール、(4R、14R)−4,14−ビス(メルカプトメチル)−3,6,9,12,15−ペンタチアヘプタン−1、17−ジチオール、(S)−3−((R−3−メルカプト−2−((2−メルカプトエチル)チオ)プロピル)チオ)プロピル)チオ)−2−((2−メルカプトエチル)チオ)プロパン−1−チオール、3,3’−ジチオビス(プロパン−1,2−ジチオール)、(7R、11S)−7,11−ビス(メルカプトメチル)−3,6,9,12,15−ペンタチアヘプタデカン−1,17−ジチオール、(7R、12S)−7,12−ビス(メルカプトメチル)−3,6,9,10,13,16−ヘキサチアオクタデカン−1,18−ジチオール、5,7−ジメルカプトメチル−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチアウンデカン、4,7−ジメルカプトメチル−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチアウンデカン、4,8−ジメルカプトメチル−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチウンデカン、ペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプトプロピオネート)、トリメチロールプロパン トリ(3−メルカプトプロピオネート)、ペンタエリスリトール テトラキス(2−メルカプトアセテート)、ビスペンタエリスリトール エーテル ヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)、1,1,3,3−テトラキス(メルカプトメチルチオ)プロパン、1,1,2,2−テトラキス(メルカプトメチルチオ)エタン、4,6−ビス(メルカプトメチルチオ)−1,3−ジチアン、ペンタエリスリトール テトラキス(2−メルカプトアセテート)、ペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプトプロピオネート)、2−(2,2−ビス(メルカプトジメチルチオ)エチル)−1,3−ジチアンなどを含む。
重合性組成物はさらに、内部離型剤、紫外線吸収剤、重合開始剤、熱安定剤、色補正剤、鎖延長剤、架橋剤、光安定剤、酸化防止剤、充填剤などを含んでいてもよい。
内部離型剤は、パーフルオロアルキル基、ヒドロキシアルキル基、またはリン酸エステル基を有するフッ素系非イオン界面活性剤;ジメチルポリシロキサン基、ヒドロキシアルキル基、またはリン酸エステル基を有するシリコーン系非イオン界面活性剤;トリメチルセチルアンモニウム塩、トリメチルステアリル塩、ジメチルエチルセチルアンモニウム塩、トリエチルドデシルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、およびジエチルシクロヘキサドデシルアンモニウム塩などのようなアルキル第4級アンモニウム塩;ならびに酸性リン酸エステルを含んでいてもよい。これは単独でまたは2種以上の組み合わせで用いうる。
紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、サリチレート系、シアノアクリレート系、オキサニリド系などを用いうる。
重合開始剤としては、アミン系、リン系、有機シリケート系、有機銅系、有機ガリウム、有機ジルコニウム、有機鉄系、有機亜鉛、有機アルミニウムなどを用いうる。
熱安定剤としては、金属脂肪酸塩系、リン系、鉛系、有機スズ系などを単独でまたは2種以上の組み合わせで用いうる。
また、実施形態によれば、上述した重合性組成物から調製したポリチオウレタンを提供する。すなわち、ポリチオウレタンを、重合性組成物中のイソシアネート組成物とチオールとを重合させる(および硬化させる)ことによって調製してもよい。
イソシアネート化合物の具体的な例は上述したとおりである。
重合反応におけるSH基/NCO基のモル比は0.5ないし3.0、より具体的には0.8ないし1.3でよい。
さらに、重合反応中の反応速度を制御するために、ポリウレタンの製造に通常用いられる反応触媒を添加してもよい。硬化触媒(または重合開始剤)としては、スズ系触媒を用いてもよい。たとえば、ジブチルスズジクロリド、ジブチルスズジラウレート、ジメチルスズジクロリドなどを用いてもよい。
ポリチオウレタンは、その組成を上述したように制御したイソシアネート組成物から調製しているので、その光学特性が優れている。
また、実施形態によれば、上述したポリチオウレタンを含む光学材料を提供する。
すなわち、実施形態によれば、イソシアネート組成物およびチオールから調製されたポリチオウレタンを含み、前記イソシアネート組成物は、組成物の全重量に基づいて、(a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、(b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、(c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種とを含む、光学材料を提供する。
光学材料を、重合性組成物中のイソシアネート組成物およびチオールを重合させる(および硬化させる)ことによって製造してもよい。
こうして実施形態によるキシリレンジイソシアネート組成物から製造した光学材料は優れた光学的性質を有する。したがって、光学材料は眼鏡レンズ、カメラレンズなどとして有利に用いることができる。光学材料は、好ましくはポリチオウレタン系レンズ、すなわちプラスチック光学レンズでありうる。
実施形態によれば、m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し;前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し;前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成してイソシアネート組成物を調製し;前記イソシアネート組成物をチオールと混合して混合物をモールド中で熱硬化させることを含む、光学レンズの製造方法を提供する。
光学レンズを製造するための方法において、第1のアミン組成物を調製する工程、第2のアミン組成物を得る工程、およびイソシアネート組成物を調製する工程を、イソシアネート組成物を調製する方法において説明した条件および手順に従って行ってもよい。光学レンズを製造する方法においては、その後、イソシアネート組成物とチオールとを混合して、熱硬化の工程のように、モールド中で熱硬化させる。
このために、まずイソシアネート組成物をチオールと混合して重合性組成物を調製する。重合性組成物を減圧下で脱ガスし、その後、光学材料を成形するためにモールドに注入する。このような脱ガスおよびモールド注入を、たとえば20ないし40℃の温度範囲で行ってもよい。
組成物をモールドに注入すると、通常は、組成物を低温から高温へ徐々に加熱することによって重合を行う。重合温度は、たとえば、30ないし150℃、特に40ないし130℃でよい。また、従来はポリウレタンの製造に用いられている反応触媒を、反応速度を制御するために用いてもよい。反応触媒の具体的な例は上で例示したとおりである。
結果として製造したポリチオウレタン系光学材料をモールドから離型して最終の光学レンズを得る。こうして製造した光学レンズは、無色で透明で、屈折率およびアッベ数のような光学特性に優れている。
光学レンズは、屈折率が1.60ないし1.78の範囲、より具体的には1.65ないし1.75の範囲、さらにより具体的には1.69ないし1.75の範囲であろう。
光学レンズは、アッベ数が20以上、より具体的は30以上であろう。たとえば、光学レンズは、アッベ数が30ないし50の範囲、31ないし50の範囲、31ないし45の範囲、または31ないし40の範囲であろう。
光学レンズは光透過率を有し、光透過率がたとえば550nmの波長で85.0%ないし99.9%、より具体的には87.0%ないし99.0%または87.0%ないし95.0%であろう。
光学レンズは、黄色度(YI)が25以下、または20以下、より具体的には1ないし25の範囲、1ないし20の範囲、3ないし30の範囲、または5ないし15の範囲であろう。
また、光学レンズは、ガラス転移温度(Tg)が90℃以上または95℃以上、具体的には95ないし130℃の範囲、95ないし120℃の範囲、98ないし120℃の範囲、100ないし120℃の範囲、95ないし115℃の範囲、または98ないし115℃の範囲であろう。
好ましい例によれば、光学レンズは、黄色度(YI)が1ないし20で、550nmでの光透過率が85ないし99%であろう。また、光学レンズはアッベ数が30ないし45でガラス転移温度が95ないし120℃であろう。
以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。以下の実施例は、本発明をさらに説明することを意図しており、実施例の範囲はこれらに限定されない。
比較例1ないし4:イソシアネート組成物の調製
下の表2に載せた組成を有するアミン−A、アミン−B、アミン−C、およびアミン−Dの組成物を、それらをさらに処理することなく、イソシアネートの合成のためのアミン原料として用いた。
まず、15重量部の各々のアミンを78重量部のo−ジクロロベンゼンに溶解してアミン溶液を調製した。その後、44重量部のホスゲンを52重量部のo−ジクロロベンゼンに溶解して溶液を調製し、これをブラインコンデンサーにより10℃まで冷却した後、反応容器に入れた。これに、上で調製したアミン溶液を50℃以下の温度でゆっくりと加えた。このとき、加えたアミン溶液の量を、1モルのアミンあたり5モルのホスゲンに調整した。その後、反応容器を密封し、反応溶液を2時間撹拌した。140℃の温度および3kg/cmの圧力でのさらに3時間の反応の後、反応の間に生成した塩酸を排出した。反応の完了と同時に、過剰のホスゲンを蒸留法によって除去した。生成物を減圧下で分別蒸留することによって精製し、m−キシリレンジイソシアネート組成物を製造した。
実施例1:イソシアネート組成物の調製
工程(1):アミン組成物の調製
81.1重量%のm−XDI、4.5重量%のp−XDI、3.7重量%のベンジルジアミン、5.6重量%の4−メチルベンジルアミン、および5.1重量%の4−シアノベンジルアミンを含むアミン組成物を調製した。
工程(2):アミン組成物中の各成分の含有量の制御
上で調製したアミン組成物を5段階蒸留装置に供給し、減圧下で温度を室温から約180℃まで上げることによって、蒸留を行った。蒸留中、ベンジルジアミンおよび4−メチルベンジルアミンを逐次に留去した。その後、温度を20℃に下げながら、p−キシリレンジアミンおよび4−シアノベンジルアミンを逐次に沈殿させて除去した。
こうして得た組成物を「アミン−E」と呼び、ガスクロマトグラフィー(GC)によって分析した。組成を下の表2にまとめる。
工程(3):イソシアネートの合成
アミン−Eを用い、比較例1ないし4におけるのと同じ仕方でイソシアネートを合成し、それによってイソシアネート組成物を得た。
Figure 2018193369
上の比較例および実施例で調製したイソシアネート組成物を、ガスクロマトグラフィー(GC)によって分析し、それらの組成を下の表3にまとめる。
Figure 2018193369
試験例:光学レンズの評価
520gの、実施例1および比較例1ないし4で調製した各イソシアネート組成物、479.3gの3,3’−チオビス[2−[(2−メルカプトエチル)チオ]−1−プロパンチオール、硬化触媒として0.15gのジブチルスズジクロリド、および内部離型剤として0.80gのZelec(登録商標)UNを均一に混合して重合性組成物を調製した。
重合性組成物を、窒素雰囲気中、室温および減圧で30分間撹拌にかけて気泡を除去し、これを3μmのテフロン(登録商標)フィルターを用いてろ過した。
ろ過した重合性組成物を、窒素圧を用いて、接着テープを配したガラスモールドに注入した。重合性組成物を用いて注入したガラスモールドを強制循環炉に入れ、温度を25℃から120℃まで5℃/分の速度で上げた後、120℃で18時間重合した。その後、重合した樹脂を130℃で4時間にわたってさらに硬化し、レンズをガラスモールドから離型して、中央の厚さが約1.2mmである各々の光学レンズを得た。
実施例1および比較例1ないし4のイソシアネート組成物から製造した光学レンズを、下の表4に示したように、物理的性質について評価した。
(1)屈折率およびアッベ数
光学レンズを、アッベ屈折計DR−M4モデル(株式会社アタゴ製)を用い、20℃で屈折率およびアッベ数について測定した。
(2)黄色度および光透過率
光学レンズを、分光光度計(ミノルタ社製)を用いて、色度座標xおよびyについて測定し、それから下の式1によりそれらの黄色度を計算した。さらに、550nmでの透過率を、同じ装置を用いて得たスペクトルから測定した。
[式1]
YI=(234x+106y+106)/y
(3)ガラス転移温度(Tg)
光学レンズを、熱機械分析装置(TMA Q400、TAインスツルメント社)を用い、針入法(荷重50g、ピンライン0.5mmΦ、温度上昇速度10℃/分)によって、ガラス転移温度(Tg)について測定した。
(4)脈理
100個の光学レンズを、水銀ランプ下で肉眼により観察した。不均一な像を生じるレンズを、脈理を有するとして分類し、そのパーセンテージを計算した。結果として、脈理発生のパーセンテージが5%未満であれば良好と評価し、脈理発生のパーセンテージが5%以上であれば不良と評価した。
Figure 2018193369
上の表4から確認されるように、その組成を望ましい範囲に制御した実施例1のイソシアネート組成物から製造した光学レンズは、屈折率、アッベ数、透過率、Tg、黄色度、および脈理のすべてに優れていた。
これに対して、望ましい範囲の外側にはずれた比較例1ないし4のイソシアネート組成物から製造したレンズは、試験した特性の少なくとも1つで劣っていた。
特に、過剰量のp−XDIを有する比較例1の組成物から製造した光学レンズは、光透過率、アッベ数、および脈理に関して劣っていた。過剰量のベンジルイソシアネートを有する比較例2の組成物から製造した光学レンズは、光透過率、ガラス転移温度、黄色度、および脈理に関して劣っていた。過剰量の4-メチルベンジルイソシアネートを有する比較例3の組成物から製造した光学レンズは、光透過率、ガラス転移温度、黄色度、および脈理に関して劣っていた。過剰量の4-シアノベンジルイソシアネートを有する比較例3の組成物から製造した光学レンズは、光透過率、ガラス転移温度、黄色度、および脈理に関して劣っており、これは特に黄色度において深刻な欠点を有していた。

Claims (15)

  1. m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し、
    前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し、
    前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成する、
    イソシアネート組成物の製造方法。
  2. 前記第2のアミン組成物は、組成物の全重量に基づいて、
    (a)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、
    (b)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジアミンと、
    (c)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  3. 前記第2のアミン組成物は、組成物の全重量に基づいて、
    (a)99.7重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジアミンと、
    (b)0重量%超ないし0.15重量%のp−キシリレンジアミンと、
    (c)0重量%超ないし0.05重量%の、ベンジルジアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  4. 前記第2のアミン組成物を得る工程を、前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンの全ての含有量を減少させることによって行う、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  5. 前記第2のアミン組成物を得る工程を、
    前記第1のアミン組成物を減圧下で100ないし185℃まで加熱しながら蒸発した化合物を除去する、および
    前記第1のアミン組成物を15ないし18℃に冷却しながら沈殿した化合物を除去する、
    のうち少なくとも1つを含む方法によって行う、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  6. 前記第2のアミン組成物を得る工程を、前記第1のアミン組成物を減圧下で100ないし185℃まで加熱しながら蒸発した化合物を除去し、次いで前記第1のアミン組成物を15ないし18℃に冷却しながら沈殿した化合物を除去することによって行う、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  7. 前記イソシアネート組成物を合成する工程を、前記第2のアミン組成物を、ホスゲン、ハロC1−10アルキルクロロホルメート、またはハロジC1−10アルキルカーボネートと反応させることによって行う、請求項1に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  8. 前記イソシアネート組成物は、組成物の全重量に基づいて、
    (a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、
    (b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、
    (c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、請求項7に記載のイソシアネート組成物の製造方法。
  9. 組成物の全重量に基づいて、
    (a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、
    (b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、
    (c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、イソシアネート組成物。
  10. イソシアネート組成物と、チオールとを含み、
    前記イソシアネート組成物は、イソシアネート組成物の全重量に基づいて、
    (a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、
    (b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、
    (c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、重合性組成物。
  11. イソシアネート組成物およびチオールから調製されたポリチオウレタンを含み、
    前記イソシアネート組成物は、組成物の全重量に基づいて、
    (a’)99重量%ないし100重量%未満のm−キシリレンジイソシアネートと、
    (b’)0重量%超ないし0.5重量%のp−キシリレンジイソシアネートと、
    (c’)0重量%超ないし0.5重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートからなる群より選択される少なくとも1種と
    を含む、光学材料。
  12. m−キシリレンジアミンを含む第1のアミン組成物を調製し、
    前記第1のアミン組成物中の、p−キシリレンジアミン、ベンジルアミン、4−メチルベンジルアミン、および4−シアノベンジルアミンのうち少なくとも1つの含有量を減少させて第2のアミン組成物を調製し、
    前記第2のアミン組成物からイソシアネートを合成してイソシアネート組成物を調製し、
    前記イソシアネート組成物をチオールと混合して混合物をモールド中で熱硬化させる
    ことを含む、光学レンズの製造方法。
  13. 前記光学レンズは、黄色度(YI)が1ないし20、光透過率が550nmの波長で85ないし99%である、請求項12に記載の光学レンズの製造方法。
  14. 前記光学レンズは、アッベ数が30ないし45、ガラス転移温度が95ないし120℃である、請求項13に記載の光学レンズの製造方法。
  15. 組成物の全重量に基づいて、0重量%超ないし0.15重量%の、ベンジルイソシアネート、4−メチルベンジルイソシアネート、および4−シアノベンジルイソシアネートの各々を含む、請求項9に記載のイソシアネート組成物。
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