JP2019070108A - 水性ポリウレタン樹脂分散体及びその製造方法 - Google Patents

水性ポリウレタン樹脂分散体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 スズに代わる触媒を用いて製造された水性ポリウレタン樹脂であって、かつポリウレタンとして十分な機能、特性を備えたポリウレタン硬化物を与える水性ポリウレタン樹脂分散体を提供する。【解決手段】 ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール及び活性チタン化合物、更に場合によりジプロピレングリコールジメチルエーテルを反応させて得られるポリウレタン樹脂と、場合により重合性不飽和化合物とを含む、水性ポリウレタン樹脂分散体である。【選択図】 なし

Description

本発明は水性ポリウレタン樹脂分散体及びその製造方法に関する。
従来、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、及び酸性基含有ポリオールを、金属触媒の存在下で反応させて水性ポリウレタン樹脂分散体を得る方法は幅広く知られており、ジブチルスズジラウリレート(DBTL)などのスズ触媒が好適に使用されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、ポリカーボネートポリオール製造時に使用するチタン触媒(エステル交換触媒)がウレタン化反応に悪影響を及ぼすことが知られており、これを回避するために水で処理してチタン触媒をチタンオキシド等の不活性チタン種に変換、不活性化する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、リン酸化合物を用いてチタン触媒を不活性化する方法が提案されている(例えば、特許文献3〜4参照)。
更には、エステル交換触媒をリン酸化合物で加熱処理して、ウレタン化反応触媒として使用する方法が開示されている(例えば、特許文献5〜6参照)。
特開2013−23556号公報 特公平8−26140号公報 特開2006−298986号公報 特開2006−176704号公報 特開2002−30143号公報 特開2005−54034号公報
ポリウレタン樹脂の合成には様々な触媒種が用いられ、上記のとおり、ポリカーボネートポリオールの調製にはチタン触媒、ポリウレタンの調製にはスズ触媒が使い分けられている。しかしながら近年、環境への適応の観点から、毒性のあるスズ触媒を使用しない、より環境に適応した方法が望まれている。一方で、ポリカーボネートポリオール製造時のチタン触媒(エステル交換触媒)には不活性化処理を行うか、又はウレタン化触媒として使用する際に事前にリン酸化合物で加熱するなどの煩雑な操作が必要であった。
また、ポリマーは一般的に合成用触媒の違いにより物性にも変化が生じることが知られており、スズに代わる触媒系を採用した場合にもポリウレタンの機能、特性を低下させないことも求められる。一方でチタンはカルボキシル基との反応性が高いため、カルボキシル基を有する水性ポリウレタン樹脂分散体を製造するための触媒としては不適であると考えられており、水性ポリウレタン樹脂分散体の製造に際し、チタン触媒を適用した例はなかった。さらに、チタン触媒が適用できるとしても、副反応などによる純度の低下を考慮すると、ポリウレタン化の際に触媒を更に添加することが一般的であり、ポリウレタンの前駆体であるポリカーボネートポリオールの調製で用いられる触媒とあわせて金属含有量が大きくなってしまうこと、操作全体が煩雑になることも問題となる。
本発明の課題は、上記問題点を解決し、スズに代わる触媒を用いて製造された水性ポリウレタン樹脂であって、かつポリウレタンとして十分な機能、特性を備えたポリウレタン硬化物を与える水性ポリウレタン樹脂分散体を提供するものである。
本発明の課題は、一つの態様において、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、及びチタン化合物、さらに場合によりジプロピレングリコールジメチルエーテルを反応させて得られるポリウレタンと重合性不飽和化合物を含む、特に下記の性質を有する水性ポリウレタン樹脂分散体によって解決される。
前記水性ポリウレタン樹脂分散体から形成される厚さ50〜90μmのポリウレタン樹脂フィルムを、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が2000〜5MPaであり、切断時伸びが410〜800%である。
また本発明の課題は、別の一つの態様において、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、及びチタン化合物、さらに場合によりジプロピレングリコールジメチルエーテルを反応させて得られるポリウレタンを含む、特に下記の性質を有する水性ポリウレタン樹脂分散体によって解決される。
前記水性ポリウレタン樹脂分散体から形成される厚さ50〜90μmのポリウレタン樹脂フィルムを、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が2000〜5MPaであり、切断時伸びが200%以上である。
本発明により、触媒としてのスズを用いずに、簡便な方法でポリウレタン樹脂分散体を得ることができる。また、ポリマーは一般的に合成用触媒の違いにより物性にも変化が生じることが知られていることは上記のとおりであるが、意外なことに本発明により、極めて軟質なポリウレタン硬化物を提供することができる。また、別の一態様では、ジプロピレングリコールジメチルエーテルを用いることで、添加されているチタン化合物の元々の活性の有無にかかわらず、触媒を多量に使わず、簡便に、極めて軟質なポリウレタン硬化物を提供することができる。
そのため、インク、塗料、接着剤や、粘着剤などのコーティング用途(コーティング材料)、高外観性と高耐久性が求められるような各種モバイル機器、フィルム、建築内外装、自動車内外装などの積層用途(積層材料)、紫外線硬化レンズのような硬化成型物などの成形用途(成形材料)に適用できる。
以下、本発明の実施態様を詳細に説明する。なお、本発明のような高分子化合物は、複数種類の原料化合物の反応により多数の構造を有する生成物が得られるものである。そのため、高分子化合物は、包含される多数の構造を一般式で記載することができてもその構造により一義的に示されない。また、その物性について、機器分析等により直接的に測定し、特定することや既存の化合物と区別することは困難である。更に、本発明においては、生成物である高分子構造には直接含まれない触媒種をその特徴の一つとする。よって、本発明においては「水性ポリウレタン樹脂分散体」を、必要に応じ製造方法により特定する。
[水性ポリウレタン樹脂分散体]
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、チタン化合物、及び場合によりジプロピレングリコールジメチルエーテルを反応させて得られるものであり、チタン以外の金属を実質的に含まないものである。ここで、本明細書において「実質的に含まない」とは、チタン以外の金属濃度が検出限界以下であることを意味し、原料中に不純物として混入する僅かな金属が含まれることを排除するものではない。
[ポリカーボネートポリオール]
ポリカーボネートポリオールは、ポリオール由来の構造と、炭酸エステル由来の構造を有するものである。
(ポリオール)
前記ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、オクタンジオール、ノナンジオール、デカンジオール、ウンデカンジオール、ドデカンジオールなどの炭素原子数2〜12の直鎖状の脂肪族ポリオール;
2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−又は3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2,2,4−又は2,4,4−トリメチルヘキサンジオール、1,5−ヘキサンジオールなどの炭素原子数3〜18の分岐状の脂肪族ポリオール;
1,3−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノールなどの炭素原子数6〜18の環状脂肪族ポリオール
が使用される。
(炭酸エステル)
前記炭酸エステルは、例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルエチルなどの炭酸ジアルキル;炭酸ジフェニルなどの炭酸ジアリール;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート(4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、トリメチレンカーボネート)、ブチレンカーボネート(4−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、テトラメチレンカーボネート)、5−メチル−1,3−ジオキサン−2−オンなどの環状カーボネートが挙げられるが、好ましくはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネートが使用される。
なお、これらの炭酸エステルは、二種以上を併用してもよい。
前記炭酸エステルの使用量は、脂肪族ポリオール1モルに対して、好ましくは0.8〜2.0モル、更に好ましくは0.9〜1.5モルである。
この範囲とすることで、十分な反応速度で、効率良く目的とするポリカーボネートポリオールを得ることができる。
なお、ポリカーボネートポリオールは、機能や特性を損なわない程度において、エステル結合やエーテル結合を有していてもよい。エステル結合を有することにより、ポリウレタンとした際の相溶性が増すことが予想される。また、エーテル結合を有することによって、ポリウレタンとした際の柔軟性がより増すと予想される。
[ポリイソシアネート]
前記ポリイソシアネートは、目的や用途に応じて適宜選択するが、例えば、
エチレンジイソシアネート、テトラメチ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(HDI)、ドデカメチレンジイソシアネートなどの炭素原子数2〜12の直鎖状脂肪族ポリイソシアネート;
1,6,11−ウンデカントリイソシアネート、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、2,6−ジイソシアナトメチルカプロエート、ビス(2−イソシアナトエチル)フマレート、ビス(2−イソシアナトエチル)カーボネート、2−イソシアナトエチル−2,6−ジイソシアナトヘキサノエートなどの炭素原子数3〜12の分岐状脂肪族ポリイソシアネート;
4,4’−メチレンビスシクロヘキシルジイソシアネート(H12MDI)、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、シクロヘキサン−1,3−ジイルビス(メチレン)ジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネートなどの炭素原子数6〜18の環状脂肪族ポリイソシアネート;
2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−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(MDI)、ナフタレン−1,5−ジイソシアネート、3,3’−ジメチル−4,4’−ビフェニレンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルイソシアネート、キシリレンジイソシアネート(XDI)、フェニレンジイソシアネート、テトラメチレンキシリレンジイソシアネート(TMXDI)などの炭素原子数6〜18の芳香族ポリイソシアネート
が使用される。
なお、これらのポリイソシアネートは、二種以上を併用してもよく、その構造の一部又は全部がイソシアヌレート化、カルボジイミド化、又はビウレット化など誘導化されていてもよい。
前記ポリイソシアネートの使用量は、ポリイソシアネートのイソシアネート基とポリカーボネートポリオールの水酸基(脂肪族ポリオールが含まれている場合には、その水酸基も含む)との比(イソシアネート基/水酸基(モル比))が、好ましくは1.5〜8.0、更に好ましくは2.0〜5.0である。
[酸性基含有ポリオール]
前記酸性基含有ポリオールは、目的や用途に応じて適宜選択することができるが、例えば、2,2−ジメチロールプロピオン酸、2,2−ジメチロールブタン酸、3,4−ジヒドロキシブタンスルホン酸などが使用される。
なお、これらの酸性基含有ポリオールは、単独又は二種以上を混合して使用してもよく、N,N−ビスヒドロキシエチルグリシン、N,N−ビスヒドロキシエチルアラニン、3,6−ジヒドロキシ−2−トルエンスルホン酸も同様に使用できる。
なお、その使用量は水系媒体にポリウレタン樹脂が分散できる量であれば特に制限されない。
[チタン化合物]
前記チタンは、チタン化合物をその原料とすることができるが、チタン化合物としては、触媒活性種として作用する活性チタン種であれば特に制限はなく、例えば、チタン(金属);チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラブトキシドなどのチタンアルコキシド;塩化チタン、臭化チタンなどのハロゲン化チタンなどが挙げられるが、ポリカーボネートポリオールへの配位の観点から、好ましくはチタンアルコキシドが使用される。
チタン化合物の使用量やポリカーボネートポリオール中の含有量は、ポリカーボネートポリオールに対するチタンの質量比率(チタン/ポリカーボネートポリオール)として、好ましくは1/1000000〜1/700、更に好ましくは1/70000〜1/700である。
[ジプロピレングリコールジメチルエーテル]
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、下記一般式で示されるジプロピレングリコールジメチルエーテル(以下、「DMM」と表記することもある)を添加した反応系によって得ることもできる。なお、DMMには以下に示す4種の構造異性体及びこれらの光学異性体が存在し、これらの異性体は単独として、または複数種の異性体混合物として使用することができるが、好ましくは異性体混合物として使用される。
Figure 2019070108
ジプロピレングリコールジメチルエーテルは、ウレタン化反応の溶媒又は溶媒の一部として用いることができる。ジプロピレングリコールジメチルエーテルの添加量は、溶媒の全質量に対して2%以上、好ましくは5%以上、より好ましくは10%以上である。また、ポリカーボネートポリオールに対するジプロピレングリコールジメチルエーテルの質量比率(ジプロピレングリコールジメチルエーテル/ポリカーボネートポリオール)としては、好ましくは5/95〜95/5、より好ましくは15/85〜85/15である。正確な機構は詳らかではないが、ジプロピレングリコールジメチルエーテルの添加により、触媒となると考えられるチタンが不活性種であってもポリウレタン化反応が進行するようになる。このため、水性ポリウレタン樹脂分散体を得る反応系全体での触媒量を低減することができ、かつ新たに触媒を添加することも不要となるため、操作全体が簡便なものとなる。
(中和剤)
また、水性ポリウレタン樹脂分散体の酸性基は中和剤で中和されていることが望ましい。そのような中和剤としては、ポリウレタン樹脂中の酸性基を中和できるものならば特に限定されないが、例えば、アンモニア;モノメチルアミン、モノエチルアミン、モノイソプロピルアミン、モノブチルアミンなどの一級アミン;ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジブチルアミン、モルホリンなどの二級アミン;トリメチルアミン、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリイソプロピルアミン、トリブチルアミン、N−メチルモルホリン、ピリジンなどの三級アミン;水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物;炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩;炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩が挙げられるが、ポリウレタン樹脂の末端イソシアネート基との反応を抑止しつつ、ポリウレタン樹脂によるコーティングの容易さの観点から、好ましくは三級アミン、更に好ましくはトリアルキルアミンが使用される。
なお、これらの中和剤は、二種以上を併用してもよい。
(鎖延長剤)
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体においては、分子量を増大させることを目的として、鎖延長剤を存在させることもできる。使用する鎖延長剤としては、目的や用途に応じて適宜選択できるが、例えば、
水;
エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、1,10−デカンジオール、1,1−シクロヘキサンジメタノール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノール、キシリレングリコール、ビス(p−ヒドロキシ)ジフェニル、ビス(p−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]プロパン、ビス[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]スルホン、1,1−ビス[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]シクロヘキサンなどの低分子ポリオール;
ポリエステルポリオール、ポリエステルアミドポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリエーテルエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリオレフィンポリオールなどの高分子ポリオール;
エチレンジアミン、イソホロンジアミン、2−メチル−1,5−ペンタンジアミン、アミノエチルエタノールアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミンなどのポリアミン
が使用される。
なお、鎖延長剤については、例えば、「最新ポリウレタン応用技術」(株式会社CMC社、1985年に発行)を参照することができ、前記高分子ポリオールについては、例えば、「ポリウレタンフオーム」(高分子刊行会、1987年)を参照することができる。
[重合性不飽和化合物]
本発明において、重合性不飽和化合物とは、モノマーだけでなく、オリゴマーやポリマーをも含む。本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、重合性不飽和化合物を更に含むことができる。
重合性不飽和化合物は、光ラジカル発生剤の共存下や、熱ラジカル発生剤の共存下などで重合するものであれば特に制限されない。重合性不飽和化合物は、25℃においてイソシアナト基とは反応性を有しない化合物であることが好ましく、なかでも、(メタ)アクリレート化合物がより好ましい。
(メタ)アクリレート化合物としては、モノマー類の(メタ)アクリレート化合物や、ポリウレタン(メタ)アクリレート化合物、ポリエステル(メタ)アクリレート系化合物、ポリアルキレン(メタ)アクリレート系化合物などが挙げられる。
なお、本発明において、(メタ)アクリレートとは、アクリレート及びメタクリレートの少なくとも一方を示す。すなわち、本発明において、(メタ)アクリレートには、アクリレートとメタアクリレートとの両方が含まれる。
モノマー類の(メタ)アクリレート化合物としては、例えば、モノ(メタ)アクリレートや、ジ(メタ)アクリレート、トリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート、ペンタ(メタ)アクリレート、ヘキサ(メタ)アクリレート等のモノ(メタ)アクリレート又はポリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。ポリ(メタ)アクリレートには、1分子中にアクリレートとメタアクリレートの両方が含まれていてもよい。
モノ(メタ)アクリレートとしては、例えば、(メタ)アクリロイルモルホリン、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、スチレン、メチルメタクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、N−ビニル−2−ピロリドン等が挙げられる。
ジ(メタ)アクリレートとしては、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(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、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
トリ(メタ)アクリレートとしては、例えば、エチレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
テトラ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
ペンタ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
ヘキサ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
これらのモノマー類の(メタ)アクリレート化合物の中でも、ジ(メタ)アクリレート、トリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート、ペンタ(メタ)アクリレート、ヘキサ(メタ)アクリレートといったポリ(メタ)アクリレートがより好ましく用いられる。これらのポリ(メタ)アクリレートは、分子内に複数の(メタ)アクリレート基を有するため、モノ(メタ)アクリレートを用いる場合よりも、得られるポリウレタン樹脂をより高分子量化しやすいためである。
ポリマー類の(メタ)アクリレート化合物としては、公知のものを用いることができる。分子内にポリアルキレングリコール構造を有している化合物がより好ましく用いられ、分子内に下記一般式(1)で表されるポリアルキレングリコール構造を有している化合物がさらに好ましく用いられる。
ポリマー類の(メタ)アクリレート化合物は、分子内にポリアルキレングリコール構造を有する。このため、ポリマー類の(メタ)アクリレート化合物は、水系溶媒により分散しやすい。よって、ポリマー類の(メタ)アクリレート化合物を用いることによって、得られる水性ポリウレタン樹脂粒子の保存安定性を向上させることができる。また、ポリアルキレングリコール構造が、下記一般式(1)で表される構造である場合、ポリマー類の(メタ)アクリレート化合物自体の保存安定性が高く、水系溶媒への分散性も高いため、特に好ましい。
Figure 2019070108

(式中、Rは、置換基を有していてもよい炭素数2〜5の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基を示し、nは1〜10の整数を示す。)
分子内にポリアルキレングリコール構造を有している化合物であるポリマー類の(メタ)アクリレート化合物としては、例えば、モノ(メタ)アクリレートの他、ジ(メタ)アクリレート、トリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート等のポリ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
モノ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリ(エチレングリコール−テトラメチレングリコール)モノ(メタ)アクリレート、ポリ(プロピレングリコールーテトラメチレングリコール)モノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ラウロキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ステアロキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
ポリ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリ(エチレングリコール−テトラメチレングリコール)ジ(メタ)アクリレート、ポリ(プロピレングリコールーテトラメチレングリコール)ジ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ラウロキシポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ステアロキシポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド(6モル)変性トリメチロールプロパントリアクリレート(BASF社製Laromer(登録商標) LR8863)、BASF社製Laromer(登録商標) PO33F等のアルキレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレートなどが挙げられる。
また、重合性不飽和化合物として、市販の重合性不飽和化合物をそのまま用いてもよい。重合性不飽和化合物の市販品としては、例えば、日本油脂社製ブレンマーシリーズ、BASF社製Laromer(登録商標)の各グレードなどが挙げられる。
ポリアルキレングリコール構造を有している化合物以外のポリマー類の(メタ)アクリレートとしては、例えば、分子末端に重合性不飽和結合を有するアクリル系ポリマーなどが使用できる。
分子末端に重合性不飽和結合を有するアクリル系ポリマーとしては、例えば、分子片末端に重合性二重結合を有するポリブチルアクリレート(例えば、綜研化学社製「アクトフローBGV−100T」)や、分子両末端に重合性二重結合を有するポリブチルアクリレート(例えば、綜研化学社製「アクトフロー」などが挙げられる。
重合性不飽和化合物は、1種のみ用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。
重合性不飽和化合物は、分子内に(メタ)アクリロイル基を2つ以上有することが好ましく、分子内に(メタ)アクリロイル基を3つ以上有する化合物を含有することがより好ましい。
重合性不飽和化合物として、分子内に(メタ)アクリロイル基を2つ有する化合物と、分子内に(メタ)アクリロイル基を3つ以上有する化合物とを併用することがさらに好ましい。重合性不飽和化合物として、分子内に(メタ)アクリロイル基を2つ有する化合物と、分子内に(メタ)アクリロイル基を3つ有する化合物とを併用することがさらに好ましい。
[水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法]
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、及びチタン化合物を反応させて得られるものである。当該反応においては、より具体的には、下記の態様が好適に採用されるものの一つである。
(1)チタン化合物を含有するポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、及び酸性基含有ポリオールを反応させる方法:
より具体的には、チタン化合物を含有するポリカーボネートポリオールにおけるチタン化合物が、ポリカーボネートポリオール製造時に使用したチタン化合物由来のものである。
(2)ポリカーボネートポリオールとチタン化合物とを予め混合して加熱して得られるチタン化合物を含有するポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、及び酸性基含有ポリオールを反応させる方法:
より具体的には、ポリカーボネートポリオールがウレタン化反応に活性なチタン化合物を含まない、即ち、ポリカーボネートポリオールの製造時にチタン触媒を使用しないか、使用した場合には水やリン酸化合物などによりチタン触媒がウレタン化反応に不活性である。
(3)ポリカーボネートポリオールとチタン化合物とを反応させて得られるチタン化合物を含有するポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、及び酸性基含有ポリオールを反応させる方法:
より具体的には、ポリカーボネートポリオールとチタン化合物とを反応させて得られるチタン化合物を含有するポリカーボネートポリオールを製造し、そこにポリイソシアネート、及び酸性基含有ポリオールを加えて反応させる。
本発明の一態様においては、上記(1)に代えて、下記(1’)の方法を含む態様もまた好適に採用される。
(1’)チタン化合物を含有するポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、ジプロピレングリコールジメチルエーテル及び酸性基含有ポリオールを反応させる方法。
前記(1)、(1’)、(2)、(3)の反応は、常圧又は減圧下、好ましくは50〜250℃、更に好ましくは70〜230℃にて行うことが好ましい。
(2)におけるポリカーボネートポリオールとチタン化合物とを予め混合して加熱する際も、常圧又は減圧下、好ましくは50〜250℃、更に好ましくは70〜230℃にて行うことが好ましい。また、ポリウレタン化反応は、分子量を調整するために末端停止剤を添加して行うこともできる。
水性ポリウレタン樹脂分散体を製造する際には、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、及びチタン化合物を有機溶媒中で反応させてポリウレタンを形成させた後、水及び中和剤を加えて、水性媒体(水を主成分とする)にポリウレタン樹脂を分散させる。
ポリウレタン化反応は溶媒の存在下で行うことができ、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−カプロラクトンなどのエステル類;ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのアミド類;ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、2−エトキシエタノールなどのエーテル類;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類;ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素類が使用される。また、別の一態様においては、前記(1’)の方法のように、ポリウレタン化反応はジプロピレングリコールジメチルエーテルの存在下で行われるが、ジプロピレングリコールジメチルエーテル以外の溶媒を更に含む溶媒系で行うこともできる。使用することができる溶媒として、上記のとおり例示した溶媒が挙げられる。これらの溶媒を用いる際の、ジプロピレングリコールジメチルエーテルとの量比については先に述べたとおりである。
まず、ポリカーボネートポリオールにポリイソシアネートを添加することで、ポリウレタンのプレポリマー化が行われる。使用されるポリカーボネートポリオールの固形分濃度は、反応速度、目的とする実用的ポリウレタン液の濃度等から、20%以上が好ましく、必要により予め濃縮して用いられる。
プレポリマー化反応においては、同一又は他のポリオールを加え、プレポリマーの分子量、酸価等を調整することができる。前記ポリオールとしては、特に制限されないが、例えば、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートジオール、脂肪族ジオール、脂環式ジオール、芳香族ジオール、多官能ポリオール等が挙げられる。引張における破断エネルギーや塗膜の耐水性を高めるために、脂肪族ジオール及び脂環族ジオール、ポリカーボネートジオールを使用することができる。
プレポリマー化に用いられるポリイソシアネート、ポリカーボネートジオールの種類は、前記のとおりである。使用するポリイソシアネート量は、プレポリマー化反応におけるNCO/OHモル比で、2.0/1.0〜1.1/1.0であることが好ましい。
(鎖伸長反応(ポリウレタン化))
得られたプレポリマーは鎖伸長剤で鎖伸長し、ポリウレタンとする。使用される鎖伸長剤は、前記のとおりである。本反応では、溶媒を用いることができる。溶媒としては、前記プレポリマー化で挙げた有機溶媒又は水を用いることができる。水を使用する場合には、分散させるため、トリエチルアミンなどの塩基が用いられる。反応温度は、10〜100℃が好ましい。好ましくは、10〜80℃である。ここまでの反応系において、用いられる触媒はチタンであり、他の金属、特にスズは反応系には実質的に含まれない。
(重合性不飽和化合物の添加)
上記のようにして得られたポリウレタン樹脂に対し、さらに、重合性不飽和化合物を添加することもできる。重合性不飽和化合物の例は、先に述べたとおりである。重合性不飽和化合物の添加量は、水性ポリウレタン樹脂分散体組成物中の全固形分に対する重合性不飽和化合物の割合が、3質量%〜60質量%となる量であることが好ましく、3質量%〜25質量%となる量であることがより好ましく、3質量%〜20質量%となる量であることが特に好ましい。
以上により、本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体が得られるが、目的に応じて、熱安定剤、光安定剤、可塑剤、無機充填剤、滑剤、着色剤、シリコンオイル、発泡剤、難燃剤などを存在させることができる。
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、例えば、インク、塗料、接着剤や、粘着剤などのコーティング用途(コーティング材料)、高外観性と高耐久性が求められるような各種モバイル機器、フィルム、建築内外装、自動車内外装などの積層用途(積層材料)、紫外線硬化レンズのような硬化成型物などの成形用途(成形材料)に適用することができる。
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
なお、各物性の測定は、以下の通り行った。
(引張試験)
各実施例及び比較例で得られた樹脂水性分散体を、乾燥後の最終膜厚が50μm〜90μmとなるように塗布し、室温24時間、60℃で24時間、さらに120℃で24時間養生した後、得られた塗膜をガラス板から剥がし、3号ダンベル形で打ち抜いて試験片を作成した。得られた試験片をJIS K 6251に準じ、23℃で引張試験機(オリエンティック社製RTC−1250A)を用いて100mm/minの速度で測定した。
(耐溶剤性)
各実施例及び比較例で得られた樹脂水性分散体を冷間圧延鋼板に、乾燥後の最終膜厚が20ミクロンとなるように塗布し、140℃で20分加熱乾燥することで、乾燥塗膜を形成し積層体を得た。得られた積層体の乾燥塗膜上に種々溶剤を含浸させた脱脂綿を置き、24時間静置後、脱脂綿を取り除き、塗膜外観を下記の基準で目視評価した。
○:試験前後、変化が観測されなかった。
△:試験後、非常に軽微な膨潤もしくは白化が観測された。
×:試験後、塗膜の剥離、膨潤、白化が観察された。
<合成例1〜11:複合ポリカーボネート樹脂の合成>
[合成例1]
テトラブトキシチタン(TBT)基準でのチタン含有率が1000質量ppmになるように、チタンテトラアルコキシドの使用量を変えた点以外は、特許第4470291号公報に記載の方法に準じて、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートと1,6−ヘキサンジオールとからポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−1Aと称することもある)。
なお、PCD−1A中のテトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は1000質量ppmであった。
[合成例2]
特許第4470291号公報に記載の方法に準じて、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートと1,6−ヘキサンジオールとを反応させた後、特開2003−183376号公報記載の方法に準じて、イオン交換水(脱イオン水)を添加して加熱・攪拌させてポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−1ANと称することもある)。なお、PCD−1AN中にはチタンテトラアルコキシドは含まれていなかった。チタンテトラアルコキシドは水と反応することにより、触媒としては不活性なチタンオキシド等に変化したと考えられる。
[合成例3]
合成例2に従い合成したポリカーボネートジオール(PCD−1AN)に、チタンテトラアルコキシドの存在下、減圧しながら180℃で4時間攪拌し、テトラブトキシチタン基準でのチタン含有率が500質量ppmとなるようにポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−3と称することもある)。
[合成例4]
合成例2に従い合成したポリカーボネートジオール(PCD−1AN)に、チタンテトラアルコキシドの存在下、減圧しながら180℃で4時間攪拌し、テトラブトキシチタン基準でのチタン含有率が1000質量ppmとなるようにポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−1HTと称することもある)。
[合成例5]
合成例2に従い合成したポリカーボネートジオール(PCD−1AN)に、チタンテトラアルコキシドの存在下、大気圧下80℃で4時間攪拌して合成した。(以下、PCD−1LTと称することもある)。テトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は1000質量ppmであった。
[合成例6]
合成例1に記載の方法に準じて、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートとポリオール成分が1,6−ヘキサンジオールと1,4−シクロヘキサンジメタノールのモル比3:1混合物とからなるポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−2Aと称することもある)。
なお、PCD−2A中のテトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は1000質量ppmであった。
[合成例7]
合成例2に記載の方法に準じて、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートとポリオール成分が1,6−ヘキサンジオールと1,4−シクロヘキサンジメタノールのモル比3:1の混合物とからなるポリカーボネートジオールを合成した後、特開2003−183376号公報記載の方法に準じて、イオン交換水(脱イオン水)を添加して加熱・攪拌させてポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−2ANと称することもある)。なお、PCD−2AN中にはチタンテトラアルコキシドは含まれていなかった。チタンテトラアルコキシドは水と反応することにより、触媒としては不活性なチタンオキシド等に変化したと考えられる。
[合成例8]
合成例7に従い合成したポリカーボネートジオールに、チタンテトラアルコキシドの存在下、減圧しながら180℃で4時間攪拌して合成した。(以下、PCD−2HTと称することもある)。テトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は1000質量ppmであった。
[合成例9]
合成例7に従い合成したポリカーボネートジオールに、チタンテトラアルコキシドの存在下、大気圧下80℃で4時間攪拌して合成した。(以下、PCD−2LTと称することもある)。テトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は1000質量ppmであった。
[合成例10]
特許第4470291号公報に記載の方法に準じて、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートと1,6−ヘキサンジオールとを反応させた後、特開2003−183376号公報記載の方法に準じて、イオン交換水(脱イオン水)を添加して加熱・攪拌させてポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−4と称することもある)。PCD−4中にはチタンテトラアルコキシドは含まれていなかった。チタンテトラアルコキシドは水と反応することにより、触媒としては不活性なチタンオキシド等に変化したと考えられる。
なお、PCD−4中のテトラブトキシチタン(TBT)基準でのチタン含有率は100質量ppmであった。
[合成例11]
水を加えることによるチタンの不活性化を行わなかった点以外は特許第4470291号公報に記載の方法と同様にして、チタンテトラアルコキシドの存在下、ジメチルカーボネートと1,6−ヘキサンジオールとからポリカーボネートジオールを合成した(以下、PCD−5と称することもある)。
なお、PCD−5中のテトラブトキシチタン基準でのチタン含有率は100質量ppmであり、このチタンは活性種のチタンが主成分であることが推察される。
<系1:重合性不飽和化合物含有ポリウレタン樹脂分散体/溶媒NMP>
[比較例1](触媒なし)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で7時間攪拌した。イソシアネートの転化率を測定したが94%と十分に進行していないことが確認された。
[比較例2](触媒DBTL)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170g及びジブチル錫ジラウリレート0.3g(ジブチル錫ジラウリレート基準でのスズ含有率:750質量ppm)を混合し、攪拌しながら80〜90℃で4.5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 7311に準じた弾性率は51MPa、切断時伸びは400%であった。
[実施例1](PCD合成時にTBT使用)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1A 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で6時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し(以下、表においてコアアクリル「A」と表記する)、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 7311に準じた弾性率は44MPa、切断時伸びは450%であった。
[実施例2](PCDとTBT混合後減圧)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−3 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 7311に準じた弾性率は48MPa、切断時伸びは480%であった。
[実施例3](TBT後添加)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170g、及びチタンテトラブトキサイド0.400gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 7311に準じた弾性率は50MPa、切断時伸びは500%であった。
また、実施例1〜3及び比較例2で得られた水性ポリウレタン樹脂分散体から得られる硬化膜について、各種溶剤に対する耐性を試験した。各実施例、比較例の試験条件及びこれらの試験結果を併せて、以下の表1に示す。
Figure 2019070108
表1より、チタン触媒を用いて調製する本発明のポリウレタン樹脂分散体は、従来のスズ触媒を用いたもの(比較例2)と比べて柔軟で、かつ耐溶剤性に優れたものとなることが明らかとなった。
<系2:重合性不飽和化合物非含有ポリウレタン樹脂分散体/溶媒NMP>
[実施例4]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1A 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、N−エチルピロリドン88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で8時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は28MPa、切断時伸びは720%であった。
[実施例5]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1HT 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、N−エチルピロリドン88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で7時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は30MPa、切断時伸びは660%であった。
[実施例6]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1LT 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、N−エチルピロリドン88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で7.5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は26MPa、切断時伸びは670%であった。
[実施例7]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2HT 90.0g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、N−エチルピロリドン68.6gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体383gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は790MPa、切断時伸びは260%であった。
[実施例8]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2LT 90.0g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、N−エチルピロリドン68.6gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水383gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体693gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は810MPa、切断時伸びは220%であった。
[比較例3]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 200g(0.100モル)と、ジラウリン酸ジブチルスズ 0.200g(0.317ミリモル)と2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、N−エチルピロリドン88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は31MPa、切断時伸びは600%であった。
[比較例4]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2AN 90.0g(0.100モル)と、ジラウリン酸ジブチルスズ 0.0900g(0.143ミリモル)と2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、N−エチルピロリドン68.6gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水383gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体693gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は830MPa、切断時伸びは180%であった。
また、各実施例及び比較例で得られた水性ポリウレタン樹脂分散体から得られる硬化膜について、各種溶剤に対する耐性を試験した。各実施例、比較例の試験条件及びこれらの試験結果を併せて、以下の表2に示す。
Figure 2019070108
表2より、チタン触媒を用いて調製する本発明のポリウレタン樹脂分散体は、従来のスズ触媒を用いたもの(比較例4)と比べても遜色ない柔軟性を有しており、かつ耐溶剤性に優れたものとなることが明らかとなった。
<系3:重合性不飽和化合物含有ポリウレタン樹脂分散体/溶媒DMM>
[実施例9]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−4 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル170gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[実施例10]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−5 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン(NEP)85gとジプロピレングリコールジメチルエーテル85gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[実施例11]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−5 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、3−メトキシ−N,N−ジメチル−プロパンアミド(M100)85gとジプロピレングリコールジメチルエーテル85gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[実施例12]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−4 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル170gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、Miramer M3150(TMP(EO)15TA)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[実施例13]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−5 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン85gとジプロピレングリコールジメチルエーテル85gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、Miramer M3150(TMP(EO)15TA)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[比較例5]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−4 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170g及びジブチル錫ジラウリレート0.3gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4.5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA:分子量296)とトリプロピレングリコールジアクリレート(TPGDA:分子量300)の混合物(重量比1:1)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
[比較例6]
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−4 400g(0.200モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)20.0g(0.149モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)109g(0.491モル)と、N−エチルピロリドン170g及びジブチル錫ジラウリレート0.3gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4.5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン15.1g(0.149モル)を加えた後、Miramer M3150(TMP(EO)15TA)106gを混合し、強攪拌下、水1320gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.5g(0.125モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体を得た。
また、実施例及び比較例で得られた水性ポリウレタン樹脂分散体から得られる硬化膜について、各種溶剤に対する耐性を試験した。各実施例、比較例の試験条件及びこれらの試験結果を併せて、以下の表3に示す。
Figure 2019070108
表3より、チタン、DMM存在下でのポリウレタン化反応により、水により不活性化したチタン触媒系であっても(実施例9、12)反応が進行し、チタン触媒を用いてDMM存在下で調製する本発明のポリウレタン樹脂分散体は、従来のスズ触媒を用いたもの(比較例)と比べて柔軟で、かつ耐溶剤性に優れたものとなることが明らかとなった。チタン触媒はポリカーボネートポリオールの調製において用いられているものであり、本発明により、使用する金属の量を低減して水性ポリウレタン樹脂分散体を得ることができる。また、弾性率の低下はアクリル樹脂の種類によらず見られる。
<系4:重合性不飽和化合物非含有ポリウレタン樹脂分散体/溶媒DMM>
[実施例14](PCD−1A)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1A 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は28MPa、切断時伸びは730%であった。
[実施例15](PCD−1HT)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1HT 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は25MPa、切断時伸びは720%であった。
[実施例16](PCD−1LT)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1LT 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は19MPa、切断時伸びは620%であった。
[実施例17](PCD−1AN)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 200g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は23MPa、切断時伸びは790%であった。
[実施例18](PCD−2LT)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2LT 90.0g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)34.3gと、N−エチルピロリドン34.3gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水383gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体693gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は820MPa、切断時伸びは240%であった。
[実施例19](PCD−2AN)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2AN 90.0g(0.100モル)と、2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)34.3gと、N−エチルピロリドン34.3gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水383gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体693gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は730MPa、切断時伸びは290%であった。
[比較例7](Sn系)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−1AN 200g(0.100モル)と、ジラウリン酸ジブチルスズ 0.200g(0.317ミリモル)と2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)10.7g(0.0798モル)と、イソホロンジイソシアネート(IPDI)55.8g(0.252モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)88.7gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で5時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン8.07g(0.0798モル)を加えた後、強攪拌下、水545gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液21.8g(0.0656モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体930gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は30MPa、切断時伸びは590%であった。
[比較例8](PCD−2AN Sn系)
撹拌機及び加熱器を備えた反応容器に、PCD−2AN 90.0g(0.100モル)と、ジラウリン酸ジブチルスズ 0.0900g(0.143ミリモル)と2,2−ジメチロールプロピオン酸(DMPA)13.4g(0.100モル)と、1,1’−メチレンビス[4−イソシアナトシクロヘキサン](H12MDI)86.6g(0.330モル)と、ジプロピレングリコールジメチルエーテル(DMM)34.3gと、N−エチルピロリドン34.3gを混合し、攪拌しながら80〜90℃で4時間反応させてウレタンプレポリマー組成物を得た。
得られたウレタンプレポリマー組成物を80℃まで冷却し、これにトリエチルアミン10.1g(0.100モル)を加えた後、強攪拌下、水383gの中に加えた。ついで、35重量%の2−メチル−1,5−ペンタンジアミン水溶液41.0g(0.124モル)を加えて、水性ポリウレタン樹脂分散体693gを得た。
得られた水性ポリウレタン樹脂分散体を十分に乾燥させ得られた塗膜のJIS K 6251に準じた弾性率は860MPa、切断時伸びは200%であった。
また、各実施例及び比較例で得られた水性ポリウレタン樹脂分散体から得られる硬化膜について、各種溶剤に対する耐性を試験した。各実施例、比較例の試験条件及びこれらの試験結果を併せて、以下の表4に示す。
Figure 2019070108
表4より、チタン触媒を用いて調製する本発明のポリウレタン樹脂分散体は、従来のスズ触媒を用いたもの(比較例7や8)と比べても遜色ない柔軟性を有しており、かつ耐溶剤性に優れたものとなることが明らかとなった。

Claims (16)

  1. ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール及び活性チタン化合物を反応させて得られるポリウレタン樹脂を含む、水性ポリウレタン樹脂分散体。
  2. ポリウレタン樹脂を得る反応が、実質的にスズの非存在下で行われる、請求項1記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  3. 活性チタン化合物が、有機チタン化合物である、請求項1又は2記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  4. チタン化合物が、ポリカーボネートポリオールの調製に用いられるチタン触媒に由来するものである、請求項1〜3のいずれか一項記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  5. 成膜して厚さ50〜80μmのポリウレタン樹脂フィルムとしたときの、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が1500MPa以下であり、且つ切断時伸びが200%以上である、請求項1〜4のいずれか一項記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  6. ポリカーボネートポリオールが脂環式構造を含み、成膜して厚さ50〜90μmのポリウレタン樹脂フィルムとしたときの、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が800〜1500MPaであり、且つ切断時伸びが200〜580%である、請求項1〜5のいずれか一項記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  7. ポリカーボネートポリオールが脂環式構造を含まず、成膜して厚さ50〜90μmのポリウレタン樹脂フィルムとしたときの、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が30MPa未満であり、且つ切断時伸びが600〜2000%である、請求項1〜5のいずれか一項記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  8. ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、酸性基含有ポリオール、ジプロピレングリコールジメチルエーテル及びチタン化合物を反応させて得られるポリウレタン樹脂を含む、水性ポリウレタン樹脂分散体。
  9. ジプロピレングリコールジメチルエーテルが下記式で示される化合物又はその異性体混合物である、請求項8記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
    Figure 2019070108
  10. さらに、重合性不飽和化合物を含む、請求項1〜4、8、9のいずれか一項記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  11. 成膜して厚さ50〜80μmのポリウレタン樹脂フィルムとしたときの、JIS K 6251に準じて測定した弾性率が50MPa以下であり、且つ切断時伸びが410〜800%である、請求項10に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体を含有する塗料組成物。
  13. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体を含有するコーティング組成物。
  14. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体を含有するインク組成物。
  15. 活性チタン化合物の存在下、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート及び酸性基含有ポリオール反応させる工程、及び、次いで得られたポリウレタンプレポリマーを重合性不飽和化合物と混合する工程を含む、水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。
  16. 活性チタン化合物の存在下、ポリカーボネートポリオール、ポリイソシアネート、ジプロピレングリコールジメチルエーテル及び酸性基含有ポリオール反応させる工程、及び、次いで得られたポリウレタンプレポリマーを重合性不飽和化合物と混合する工程を含む、水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。
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