JP2020510725A - イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー組成物 - Google Patents

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Abstract

イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物が開示される。i−PEEP組成物は、ポリエポキシド化合物とポリイソシアネートとポリエステルポリオール組成物との反応生成物を含む。エポキシ当量対ヒドロキシル当量の比は0.2〜2の範囲内である。本明細書において定義されるi−PEEP指数は100〜200の範囲内である。i−PEEP組成物は−30℃〜35℃の範囲内のTgを有する。i−PEEP組成物を作製するための、塩基又はルイス酸によって触媒される、低温及び高温方法もまた開示される。単純だが革新的な手法において、容易に入手可能な出発原料から、エポキシ系を硬化させるために典型的に用いられるポリアミンに依存することなく、コーティング、エラストマー、接着剤、シーラント及び他の有益な生成物のために有用な、新たなクラスのポリマーが集合する。【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明
[発明の分野]
本発明は、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物、並びにコーティング、エラストマー、接着剤及び他の用途におけるその使用に関する。
[発明の背景]
エポキシ官能化組成物は、エポキシ樹脂を作製するための構成ブロックとして、長く知られている。例えば、ビスフェノールとエピクロロヒドリンとの反応生成物は、エポキシ樹脂産業の主力品であり、エポン(EPON)(登録商標)樹脂(Hexion Specialty Chemicals)として長い間販売されている。エポキシ樹脂は「硬化剤」又は他の架橋剤−通常はポリアミン、ポリカルボン酸、又はポリチオール−と反応し、接着剤又は他の最終使用用途のための、硬化高分子量ポリマーを提供する。
エポキシ樹脂はまた、通例、アクリル酸又はメタクリル酸と反応し、「ビニルエステル」樹脂を生成する。ビニルエステルはヒドロキシル及びアクリル官能価を有し、「ハイエンド」で多様な不飽和ポリエステル樹脂としてとらえられる。不飽和ポリエステル樹脂のように、ビニルエステル樹脂はスチレン及びフリーラジカル開始剤で硬化するが、一般的な目的の不飽和ポリエステル樹脂では容易には達成できない特性を有するプラスチックを提供することができる。
ヒドロキシ末端ポリエステルポリオールは、また別の異なる領域にある。ヒドロキシ末端ポリエステルポリオールは、ポリイソシアネートと反応してポリウレタンをもたらす、脂肪族又は芳香族の中間体である。芳香族ポリエステルポリオールは、建材のための硬質ポリウレタンフォームを作製するために用いられることが多く、一方、脂肪族ポリエステルポリオールは、ポリウレタンコーティング又はエラストマー用途、例えば靴底において、より一般に見られる。
エポキシ樹脂を硬化させるためにヒドロキシ官能性材料を用いることは、少なくとも理論上は可能であるが、従来の知恵によれば、遥かに速くエポキシド基と反応するであろうポリアミンが、この目的にはより好適である。エポキシ樹脂と反応させてきたポリエステルの中でも、大多数は末端にカルボン酸基を有する。
結果として、エポキシ樹脂及びヒドロキシ末端ポリエステルポリオールは長年利用可能であったにもかかわらず、エポキシ樹脂とヒドロキシ末端ポリエステルポリオールとの反応生成物にあり得る利点については、比較的少数しか報告されていない。ポリエステルポリオールをエポキシ樹脂と反応させた限定的な例において、デンドリマー性又は多分岐のポリエステルポリオールの場合のように、ポリオールは非常に高いヒドロキシル官能価(4を超える)、又はヒドロキシル数(500mg KOH/gを超える)を有する。他の変形において、エポキシド反応性基の、ヒドロキシル反応性基に対するモル比は、約4:1を超過する。
大部分のエポキシベースの生成物に伴う課題は、他の重要な特性を保ちながら、所望の柔軟性を有する生成物を低コストで作製することにある。大多数のエポキシベースの生成物は、比較的高いガラス転移温度(T>50℃)、及び小さい極限伸び(10%未満)を有する。
反応物質としてポリオールと、ポリイソシアネートと、ポリエポキシドとを用いて作製した生成物の報告がいくつかある。いくつかの場合において、ポリオールはポリエステルポリオールではない(例えば国際公開第2014/072515号参照)。他の例において、最終コーティング又は他の最終生成物を作製するためには、架橋剤又は他の材料とさらに反応させなければならない中間体が作製される(例えば、CN104745138、CN104212405、JP03064529、及びKR726684参照)。いくつかの文献は、ポリエステルポリオールと、ポリイソシアネートと、ポリエポキシドとを、単一ステップよりむしろ複数のステップで反応させることを教示している(例えばRU2457220、及びCN101358122、エポキシ樹脂とのポリオール反応、続いてポリイソシアネートとの反応;並びにJP01048928及びKR726684、ポリイソシアネートとのポリオール反応、続いてエポキシ樹脂との反応、を参照)。いくつかの例においては、高温条件も使用される(例えばRU2457220、及びCN101358122参照)。
本発明者はこれまでに、ポリエポキシド化合物とポリオール組成物との反応生成物であるポリエステル−エポキシドポリマー(「PEEP」)組成物を調製した。本発明者は、様々なポリマー技術(ウレタン、エポキシ、UPR)から得られた周知の構築ブロックを集合させ、コーティング、エラストマー、接着剤、シーラント、及び他の有益な生成物のために有用な、新たなクラスのポリマーを得られることを見出した。PEEP組成物は従来のエポキシドポリマー生成物の利点の多くを保持するが、PEEP組成物は増加した伸び、及びより低いTを有する。
増加した伸び、より低いT値、並びにコーティング、エラストマー、及び他の同様の生成物において好ましい全体的な特性のバランスを有する、さらなるエポキシベースの生成物を利用可能であることから、産業界は利益を得るであろう。生成物は、商業的に入手可能な、又は容易に作製された出発原料、従来の設備、及び通常のプロセス条件を用いて作製できることが望ましい。生成物は、柔軟性、耐衝撃性、硬度、剛性、耐摩耗性、並びにコーティング、接着剤、シーラント、及びエラストマーの生産者にとって重要な他の特性について、目標を満足するように調整できることが好ましい。環境的課題及び他の課題をもたらすポリアミン硬化剤を用いずに、優れた物理的及び機械的特性を有する生成物を実現できることが理想的である。
[発明の概要]
一態様では、本発明は、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(「i−PEEP」)組成物に関する。i−PEEP組成物は、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリオール組成物との反応生成物を含む。ポリエポキシド化合物は、125〜250g/eq.の範囲内の当量重量(equivalent weight)を有する。ポリイソシアネートは、2.0〜3.0の範囲内の平均NCO官能価を有する。ポリオール組成物は、50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価、及び5mg KOH/g未満の酸価を有するポリエステルポリオールを含む。ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比は、0.2〜2の範囲内である。i−PEEP指数(後に定義する)は、100〜200の範囲内である。i−PEEP組成物は、示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有する。
本発明は、上に記載したi−PEEP組成物を作製するための方法を含む。i−PEEP組成物を作製するための1つのこのような方法(「低温方法」)は、0℃〜40℃の範囲内の温度で触媒の存在下、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物とを含む混合物を反応させるステップを含む。ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比は0.2〜2の範囲内であり、i−PEEP指数は100〜200の範囲内であり、得られるi−PEEP組成物は−30℃〜35℃の範囲内のTを有する。低温方法のための触媒は、ルイス酸化合物を含むことが好ましい。好ましい態様では、反応を室温で行う。
代替的な方法(「高温方法」)は、40℃〜100℃の範囲内の温度で、任意選択で触媒の存在下、上に記載したようなポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物とを含む混合物を加熱するステップを含む。ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比は0.2〜2の範囲内であり、i−PEEP指数は100〜200の範囲内であり、PEEP組成物は−30℃〜35℃の範囲内のTを有する。いくつかの態様では、加熱するステップは、塩基又はルイス酸触媒の存在下で行う。
上に記載した方法のいずれかに続いて、後硬化を行うことができる。ルイス酸を用いる場合、後硬化は、室温又は高温(50℃〜150℃)とすることができる。塩基触媒を用いる場合、高温での後硬化が望ましい。
様々なポリマー技術(ウレタン、エポキシ、UPR)から得られた周知の構築ブロックを集合させ、コーティング、エラストマー、接着剤、シーラント、及び他の有益な生成物のために有用な、新たなクラスのポリマー(「i−PEEP」、すなわち「イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー」)が得られる。驚くべきことに、これらのi−PEEP生成物は、最も広く用いられているエポキシド硬化剤であるポリアミンに依存することなく、産業的な必要性を満足するものである。i−PEEP組成物は従来のエポキシドポリマー生成物の利点の多くを保持するが、i−PEEP組成物は増加した伸び、向上した耐衝撃性、及び可変の又はより低いTを有することができる。商業的に入手可能な、又は容易に合成される材料から優れた生成物を作製することができ、デンドリマーなどの特殊なポリオールを使用すること、ヒドロキシルに対して高いエポキシ比を用いること、又は良好な結果を達成するための他の難解な手段に依存することは必要ない。i−PEEP組成物は、1ステップ方法において調製するのに都合がよいが、同様の段階的手法は許容される生成物をもたらすことに失敗している。全体として、本発明は新たなクラスのポリマーを創出し、配合者を招いて、熱硬化性ポリマーを合成するためのこの単純だが革新的な手法を、さらに研究している。
[発明の詳細な説明]
一態様では、本発明は、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物との反応生成物を含む、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物に関する。
(ポリエポキシド化合物)
好適なポリエポキシド化合物は、1分子当たり2個以上のエポキシド基、及び125〜250g/eq.、又はいくつかの態様では150〜240g/eq.、若しくは190〜235g/eq.の範囲内の当量重量を有する。
好ましい態様では、ポリエポキシド化合物は1分子当たり平均2〜4個のエポキシド基(「平均エポキシド官能価」)を有する。いくつかの態様では、平均エポキシド官能価は2〜3、2.0〜2.8、又は約2である。
いくつかの好適なポリエポキシド化合物は商業的に入手可能であるが、他のものはエピクロロヒドリンと好適なポリオール又はポリアミン前駆体との反応から、好ましくはエピクロロヒドリンと芳香族又は脂環式のポリオール又はポリアミンとの反応から、容易に合成される。
いくつかの態様では、ポリエポキシド化合物は、ビスフェノール(例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールAP、ビスフェノールBP、ビスフェノールC、ビスフェノールF、ビスフェノールS、ビスフェノールZ等)とエピクロロヒドリンとの反応生成物である。他の態様では、ポリエポキシド化合物は、水素化ビスフェノールとエピクロロヒドリンとの反応生成物である。換言すれば、いくつかの場合、ポリエポキシド化合物は、ビスフェノール又は水素化ビスフェノールの「ジグリシジルエーテル」である。これらの材料のうちの多くは、商業的に入手可能である。例えば、好適なポリエポキシド化合物としては、エポキシ樹脂のエポン(登録商標)800シリーズ(Hexion Specialty Chemicalsの製品)が挙げられ、大部分はビスフェノールA又はビスフェノールF、例えばエポン(登録商標)樹脂825、826、828、830、834、862等である。好適なビスフェノールFベースの樹脂としては、CVC Thermoset Specialtiesの製品、エパロイ(EPALLOY)(登録商標)8220、エパロイ(登録商標)8230、及びエパロイ(登録商標)8240も挙げられる。
好適なエポキシド化合物としては、芳香環が水素化されているビスフェノールジグリシジルエーテル、例えばエパロイ(登録商標)5000、及びエパロイ(登録商標)5001、又はアルキル若しくは官能基で修飾されているビスフェノールジグリシジルエーテル、例えばエパロイ(登録商標)7200が挙げられる。好適なポリエポキシド化合物としては、ジ、トリ、又はテトラ官能性芳香族ポリエポキシド、例えばレゾルシノールジグリシジルエーテル(CVC Thermoset Specialtiesから、エリシス(ERISYS)(商標)RDGEとして入手可能)、トリス(ヒドロキシフェニル)エタンのトリグリシジルエーテル(例えばエパロイ(登録商標)9000として入手可能)、及びm−キシレンジアミンのテトラグリシジルエーテル(エリシス(商標)GA240として入手可能)が挙げられる。好適なポリエポキシド化合物としては、芳香族及び脂環式のグリシジルエステル、例えばイソフタル酸、フタル酸、又はテレフタル酸のジグリシジルエステル、並びにこれらの水素化版、例えばヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル(例えばエパロイ(登録商標)5200として入手可能)も挙げられる。
いくつかの態様では、ポリエポキシド化合物は脂肪族ジグリシジルエーテルであり、特に少なくとも2、好ましくは少なくとも3の平均エポキシド官能価を有する脂肪族ジグリシジルエーテルである。好適な脂肪族ジグリシジルエーテルとしては、例えば、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル、1,4−シクロヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、2−メチル−1,3−プロパンジオールジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ジプロピレングリコールジグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテル等、及びこれらの混合物が挙げられる。このタイプの好適なポリエポキシド化合物は、ポリオールを過剰なエピクロロヒドリンと反応させることによって容易に作製され、多くはエリシス(商標)の商標のもとCVC Thermoset Specialtiesから、又は他の供給者から商業的に入手可能である。
多様なタイプのポリエポキシド化合物の混合物を用いることができる。好ましい態様では、ポリエポキシド化合物は、少なくとも50重量%、少なくとも60重量%、又は少なくとも75重量%の芳香族ポリエポキシド化合物、脂環式ポリエポキシド化合物、又はこれらの組み合わせを含む。
ポリエポキシド化合物は、ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物のヒドロキシル当量の比が、0.2〜2の範囲内となる量で用いられる。他の態様では、エポキシ当量対ヒドロキシル当量の比は、0.4〜1.8、0.5〜1.5、又は0.8〜1.2の範囲となるであろう。
用いられるポリエポキシド化合物の量は、変化させることができ、ポリエポキシド化合物の性質、ポリオール組成物の性質及び割合、ポリイソシアネートの性質及び割合、所望の化学量論、並びに他の要因を含む、多くの要因に依存するであろう。しかし、一般には、ポリエポキシド化合物の量は、i−PEEP組成物の量を基準として、5〜60重量%、10〜50重量%、又は20〜40重量%の範囲内であろう。
ポリエポキシド化合物、ポリイソシアネート、及びポリオール組成物の量は、通常、さらに後で定義される特定のi−PEEP指数を達成するように調整される。
(ポリイソシアネート)
好適なポリイソシアネートは周知であり、多くはDow Chemical(パピ(PAPI)(商標)、イソネート(ISONATE)(登録商標)、及びボロネート(VORONATE)(商標)の商標で)、Evonik(ベスタナット(VESTANAT)(登録商標))、BASF(ルプラネート(LUPRANATE)(登録商標))、Covestro(モンジュール(MONDUR)(登録商標)及びデスモジュール(DESMODUR)(登録商標))、Huntsman(ルビネート(RUBINATE)(登録商標))、並びにポリウレタン中間体の他の供給者から、商業的に入手可能である。使用に好適なポリイソシアネートは、2.0〜3.0の範囲内の平均NCO官能価を有する。ポリイソシアネートは、芳香族又は脂肪族とすることができる。芳香族ポリイソシアネートとしては、例えばトルエンジイソシアネート(TDI)、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、又はポリメリックジイソシアネート(p−MDI)等が挙げられる。脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えばヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、水素化MDI、シクロヘキサンジイソシアネート(CHDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、トリメチル又はテトラメチルヘキサメチレンジイソシアネート(TMXDI)等が挙げられる。2.3〜2.7の範囲内のNCO官能価を有するポリメリックMDIが好ましい。好適なポリメリックMDIとしては、例えばBASFの製品のルプラネート(登録商標)M−10(平均NCO官能価=2.3)、及びルプラネート(登録商標)M−20(平均NCO官能価=2.7)が挙げられる。異なるポリイソシアネートの混合物を用いることができる。二量化又は三量化ポリイソシアネート、例えばHDI二量体又はHDI三量体を用いることができる。いくつかの態様では、芳香族ポリイソシアネート、例えばp−MDIが好ましい。
用いられるポリイソシアネートの量は、変化させることができ、ポリエポキシド化合物の性質及び割合、ポリオール組成物の性質及び割合、ポリイソシアネートの性質、所望の化学量論、並びに他の要因を含む、多くの要因に依存するであろう。しかし、一般には、ポリイソシアネートの量は、i−PEEP組成物の量を基準として、5〜60重量%、10〜50重量%、又は20〜40重量%の範囲内であろう。
ポリイソシアネート、ポリエポキシド化合物、及びポリオール組成物の量は、通常、さらに後で定義される特定のi−PEEP指数を達成するように調整される。
(ポリオール組成物)
イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー組成物は、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリオール組成物との反応生成物を含む。ポリオール組成物は、ポリエステルポリオールを含む。
好適なポリエステルポリオールは周知であり、芳香族及び脂肪族のポリエステルポリオールが挙げられる。好適なポリオールは末端にヒドロキシル基を有し、一般に低い酸価(すなわち5mg KOH/gを下回る)を有する。好適なポリエステルポリオールは、ジカルボン酸、エステル、又は無水物と、低分子量のジオール、ポリオール、又はこれらの混合物との縮合重合によって容易に合成される。好適なジカルボン酸、エステル、又は無水物としては、例えば無水フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ジメチルテレフタレート、トリメリット酸無水物、無水マレイン酸、無水コハク酸、コハク酸、コハク酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、グルタル酸、アジピン酸、セバシン酸、スベリン酸等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。ポリエステルポリオールを作製するために有用な、好適なジオール及びポリオールとしては、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリスリトール等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
本明細書において用いるための多くの好適なポリエステルポリオールは、Stepan Company、及び他のポリオール供給者から商業的に入手可能である。例としては、Stepanの製品である、ステパンポール(STEPANPOL)(登録商標)PS−、PC−、PD−、PH−、PHN−、PN−、及びAA−シリーズのポリオールが挙げられる。例としては、ステパンポール(登録商標)PS−2402、ステパンポール(登録商標)PC1028−210、及びステパンポール(登録商標)PS−3524(芳香族ポリエステルポリオール)、並びにステパンポール(登録商標)PC−101−210、ステパンポール(登録商標)PC−102−210、ステパンポール(登録商標)PC105−210、ステパンポール(登録商標)PC107−210、及びステパンポール(登録商標)PC1040−210(脂肪族ポリエステルポリオール)、並びにステパンポール(登録商標)1021−210(脂肪族/芳香族ポリエステルポリオール)が挙げられる。商業的に入手可能な製品としては、INVISTAからテレート(TERATE)(登録商標)及びテリン(TERRIN)(商標)ポリオール、Huntsmanからテロール(TEROL)(登録商標)ポリオール、BASFからルプラフェン(LUPRAPHEN)(登録商標)ポリオール、Covestroからデスモフェン(DESMOPHEN)(登録商標)ポリオール、Chemturaからフォムレズ(FOMREZ)(登録商標)ポリオール、Coimからイソエクスター(ISOEXTER)(商標)及びジエクスター−G(DIEXTER−G)(商標)ポリオール、Panolamからピオサン(PIOTHANE)(商標)ポリオール、並びにPolyurethane Specialtiesからミルエステル(MILLESTER)(商標)ポリオールが挙げられる。
ポリオール組成物としては、ポリエステルポリオールに加えて、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、又は他の種類のポリオールを挙げることができる。一般に、ポリオール組成物は、少なくとも50%、いくつかの態様では少なくとも65%、他の態様では少なくとも80%の、1種又は複数のポリエステルポリオールを含む。いくつかの態様では、ポリオール組成物は1種若しくは複数のポリエステルポリオールからなる、又は1種若しくは複数のポリエステルポリオールから本質的になるであろう。
好適なポリオール組成物において、ポリエステルポリオールは、50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価を有するであろう。いくつかの態様では、ポリエステルポリオールは、60〜350mg KOH/gの範囲内、又は80〜150mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価を有するであろう。
ポリエステルポリオールは、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価を有するであろう。いくつかの態様では、ポリエステルポリオールは、1.8〜3.8、又は2.0〜3.5の範囲内の平均ヒドロキシル官能価を有するであろう。
ポリエステルポリオールは、主としてヒドロキシル末端基、及びわずかな割合のカルボン酸末端基を有し、その結果、ポリエステルポリオールは低い、すなわち5mg KOH/g未満の酸価を有するであろう。いくつかの態様では、ポリエステルポリオールは、3mg KOH/g未満、2mg KOH/g未満、又は1mg KOH/g未満の酸価を有するであろう。
先に示したように、用いるポリオール組成物の量は、0.2〜2、0.4〜1.8、0.5〜1.5、又は0.8〜1.2の範囲内の、ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比をもたらすのに効果的な量であろう。
用いるポリオール組成物の量は、変化させることができ、ポリエポキシド化合物の性質及び量、ポリイソシアネートの性質及び量、ポリオール組成物の性質、所望の化学量論、並びに他の要因を含む、多くの要因に依存するであろう。しかし、一般には、ポリオール組成物の量は、i−PEEP組成物の量を基準として、5〜60重量%、10〜50重量%、又は20〜40重量%の範囲内であろう。
(i−PEEP指数)
ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリオール組成物との量は、100〜200、好ましくは110〜180、及びいくつかの態様では135〜165の範囲内のi−PEEP指数をもたらすように調整される。「i−PEEP指数」によって、100×[ポリエポキシド化合物の当量+ポリイソシアネートの当量]/ポリオールの当量により与えられる量を意味する。
したがって、例えば、エポン(登録商標)828(188g、1.0eq.)と、ルプラネート(登録商標)M−10(132g、1.0eq.)と、ステパンポール(登録商標)PC−101−210(314g、1.2eq.)との配合は、100×[1.0+1.0]/1.2=167の算出i−PEEP指数を有するであろう。
(i−PEEP組成物)
ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物との反応生成物は、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーであり、本明細書では「i−PEEP」組成物とも記載される。i−PEEP組成物は、独特な特性のバランスを有することにおいて、従来のエポキシ又はウレタン生成物からは区別される。
例えば、i−PEEP組成物は、示差走査熱量測定(DSC)によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内の比較的低いガラス転移温度(T)を有するであろう。いくつかの態様では、i−PEEP組成物のTは、−20℃〜30℃の範囲内、又は−5℃〜30℃の範囲内であろう。
従来のエポキシ生成物と比較する場合、特にポリエステルポリオールがアジピン酸などの脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含む場合、i−PEEP組成物は、増加した極限伸び(すなわち「破断点伸び」、以後は単に「伸び」)を有することができる(例えば下の表2参照)。いくつかの態様では、i−PEEP組成物は、(ASTM D412 方法Aによって測定する場合)少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも60%、又は少なくとも80%の伸びを有するであろう。他の態様では、i−PEEP組成物は30%〜500%、45%〜300%、又は50%〜200%の範囲内の伸びを有するであろう。比較的小さい伸び(10%未満)及び高い剛性を有するi−PEEP組成物は、芳香族ポリイソシアネートで生成することができる(例えば下の表1参照)。
i−PEEP組成物は周知の添加剤、例えば界面活性剤、充填剤、顔料、難燃剤、触媒、粘性調整剤、発泡剤、反応性希釈剤等を含むことができる。用いる添加剤のタイプ及び量は、具体的な最終使用用途の要求事項に依存するであろう。
i−PEEP組成物は、エラストマー、微孔質エラストマー、コーティング、シーラント、接着剤、及び他の生成物として配合することができる。エラストマーは、広い範囲のショアA又はショアD硬度値をもたらすように配合することができる。典型的な硬度値は、ショアA70〜ショアA96、又はショアA85〜ショアA96、より典型的にはショアA90〜ショアA96の範囲であろう。
i−PEEP組成物由来のエラストマーは通常、本明細書に後で記載するように、従来のエポキシ系の総エネルギー吸収(「T.E.A.」)値と比較した場合、増加したT.E.A.値を有する。T.E.A.値は、典型的には、10〜500lb・in./in.、10〜300lb・in./in.、又は20〜200lb・in./in.の範囲であろう。この範囲は、ポリエステルポリオールが脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含む場合に特に当てはまる(表2参照)。
いくつかの態様では、i−PEEP組成物由来のコーティングは、1kg荷重において1000サイクルのホイールCS−17を用いた場合、80mg未満、50mg未満、30mg未満、又は20mg未満のテーバー摩耗値によって反映される、従来のエポキシ系と比較して良好な耐摩耗性を示す(表1及び2参照)。
いくつかの態様では、特にポリエステルポリオールが脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含む場合、i−PEEP組成物由来のコーティングは、従来のエポキシ系の耐衝撃性と比較して、向上した耐衝撃性を有するであろう(例えば表2参照)。
(i−PEEP組成物を作製するための方法)
(1.低温(0℃〜40℃)方法)
一態様では、i−PEEP組成物は単一の反応ステップにおいて、好ましくは周囲条件下で、生成される。この方法は、0℃〜40℃の範囲内の温度で、触媒の存在下、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリオール組成物とを含む混合物を反応させるステップを含む。ポリエポキシド化合物は、125〜250g/eq.の範囲内の当量重量を有する。ポリオール組成物はポリエステルポリオールを含み、ポリエステルポリオールは50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価、及び5mg KOH/g未満の酸価を有する。ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比は、0.2〜2の範囲内である。本明細書において定義されるi−PEEP指数は、100〜200の範囲内である。この方法は、示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有する、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー組成物を生成する。
低温方法は、触媒の存在下で行う。好ましい態様では、触媒はルイス酸化合物を含む。好適なルイス酸化合物は電子対受容体であり、例えば塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、塩化亜鉛、三塩化ホウ素、三フッ化ホウ素、四塩化スズ、五塩化アンチモン等が挙げられる。三フッ化ホウ素、及び特に電子供与体(例えばエーテル、アルコール、カルボン酸、ポリオール、アミン、スルフィド)を有する三フッ化ホウ素の錯体は、好ましいルイス酸化合物である。例としては、三フッ化ホウ素エーテラート、三フッ化ホウ素テトラヒドロフラン錯体、三フッ化ホウ素/アルコール錯体、三フッ化ホウ素/酢酸錯体、三フッ化ホウ素/リン酸錯体、三フッ化ホウ素ジメチルスルフィド錯体、三フッ化ホウ素アミン錯体、三フッ化ホウ素ポリオール錯体等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。エーテル、アルコール、ポリオール、及びアミンとのルイス酸錯体が、特に好ましい。好適な触媒としては、例えばLeepoxy Plastics, Inc.の製品である三フッ化ホウ素とルイス塩基との錯体、リーキュア(LEECURE)(登録商標)B−610、及びリーキュア(登録商標)B−1310が挙げられる。
他の態様では、低温方法は、塩基触媒の存在下で行う。アミン触媒が好ましい。いくつかの好ましい態様では、アミン触媒は、アミン化合物、ポリアミン、ポリアミド、又はこれらの混合物を含む。第三級アミンは、好ましいアミン化合物である。好適なアミン触媒としては、例えば1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(例えば「DMP−30」)、4−ジメチルアミノピリジン、N,N−ジメチルベンジルアミン、(4−ジメチルアミノメチル)フェノール、(2−ジメチルアミノメチル)フェノール、2,4,6−トリス(4−モルホリニルメチル)フェノール、1,3,5−トリス(3−(ジメチルアミノ)プロピル)ヘキサヒドロ−s−トリアジン(例えばAir Productsからポリキャット(POLYCAT)(登録商標)41、又はHuntsmanからジェフキャット(JEFFCAT)(登録商標)TR−90)等、及びこれらの混合物が挙げられる。
良好な硬化のために必要なルイス酸又は塩基触媒の量は、ポリエポキシド化合物の性質、ポリイソシアネートの性質、ポリオール組成物の性質、選択した特定の触媒、生成物の種類(例えばコーティング、接着剤、エラストマー)、生成物の寸法、反応温度、所望の可使時間、及び他の要因を含む、当業者の裁量の範囲内となる多くの要因に依存するであろう。しかし、一般には、触媒の量は、生成するi−PEEP組成物の量を基準として、0.01〜10重量%、0.1〜8重量%、又は1〜5重量%の範囲内であろう。
低温方法は、0℃〜40℃、若しくは10℃〜30℃の範囲内の温度で、又は多くの場合、室温で行われる。
いくつかの態様では、低温方法によってi−PEEP組成物を作製するために用いるポリオール組成物は、芳香族ポリエステルポリオールを含む。他の態様では、ポリエステルポリオールは脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含み、このようなポリエステルポリオールは、脂肪族の、又は混合脂肪族/芳香族のポリエステルポリオールである。
いくつかの態様では、低温方法は105〜180の範囲内のi−PEEP指数で行う。他の態様では、i−PEEP指数は125〜165の範囲内である。
いくつかの態様では、低温方法によって作製された生成物は、極限特性をより迅速に達成するため、相対湿度の制御をして、又はせずに、室温又は高温(例えば50℃〜150℃)において後硬化させることが望ましい場合がある。一般に、ルイス酸触媒を用いる場合、後硬化は室温又は高温のいずれかで成し遂げることができる。塩基触媒を用いる場合、高温での後硬化がより望ましい。
(2.高温(40℃〜100℃)方法)
別の態様では、本発明は、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー組成物を作製するための高温方法に関する。この方法は、40℃〜100℃の範囲内の温度で、すべて上に記載した通りの、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物とを含む混合物を加熱するステップを含む。ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比は、0.2〜2の範囲内である。i−PEEP指数は、100〜200の範囲内である。得られるポリエステル−エポキシドポリマー組成物は、示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有する。
高温方法は、触媒あり又はなしで行うことができる。好適な触媒としては、先に記載したルイス酸触媒及び塩基触媒が挙げられる。
いくつかの態様では、ポリエポキシド化合物と、ポリオール組成物と、ポリイソシアネートとを含む混合物を、60℃〜90℃、又は65℃〜80℃の範囲内の温度で加熱する。
いくつかの態様では、高温方法によってi−PEEP組成物を作製するために用いるポリオール組成物は、芳香族ポリエステルポリオール、又は芳香族ポリエステルポリオールと、脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含むポリエステルポリオールとを含むブレンドを含む。
いくつかの態様では、高温方法によって作製された生成物は、極限特性をより迅速に達成するため、相対湿度の制御をして、又はせずに、室温又は高温(例えば50℃〜150℃)において後硬化させることが望ましい場合がある。一般に、ルイス酸触媒を用いる場合、後硬化は室温又は高温のいずれかで成し遂げることができる。塩基触媒を用いる場合、高温での後硬化がより望ましい。
以下の実施例は本発明を説明するものに過ぎず、当業者は、本発明の趣旨及び特許請求の範囲内の多くの変形形態を認識するであろう。
配合成分:
エポン(登録商標)828(Hexion Specialty Chemicals):液体ビスフェノールAジグリシジルエーテルベースのエポキシ樹脂。平均当量重量:189。粘度:25℃で13,000cP。
ステパンポール(登録商標)AA−220(Stepan Company):アジピン酸ベースの脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:220mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−101−210(Stepan Company):エチレングリコール及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−102−210(Stepan Company):1,4−ブタンジオールグリコール及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−105−210(Stepan Company):1,6−ヘキサンジオール及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−107−210(Stepan Company):ネオペンチルグリコール及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−1021−210(Stepan Company):1,4−ブタンジオール、イソフタル酸、及びアジピン酸由来の混合脂肪族/芳香族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−1040−55(Stepan Company):エチレングリコール、1,4−ブタンジオール、及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:56mg KOH/g。粘度:73℃で655cP。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PC−1040−210(Stepan Company):エチレングリコール、1,4−ブタンジオール、及びアジピン酸由来の脂肪族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PS−2402(Stepan Company):無水フタル酸及びジエチレングリコール由来の芳香族ポリエステルポリオール。OH価:234mg KOH/g。粘度:25℃で10,500cP。官能価:2.0。
ステパンポール(登録商標)PS−3524(Stepan Company):テレフタル酸、無水フタル酸、ジエチレングリコール、グリセリン、及びダイズ油由来の芳香族ポリエステルポリオール。OH価:350mg KOH/g。粘度:25℃で7500cP。官能価:2.4。
ステパンポール(登録商標)PC−1028−210(Stepan Company):1,6−ヘキサンジオール及び無水フタル酸由来の芳香族ポリエステルポリオール。OH価:210mg KOH/g。官能価:2.0。
IPA−DEGポリオール:イソフタル酸及びジエチレングリコール由来の芳香族ポリエステルポリオール。OH価:236mg KOH/g。粘度:25℃で28,200cP。官能価:2.0。
IPA−HDOポリオール:イソフタル酸及び1,6−ヘキサンジオール由来の芳香族ポリエステルポリオール。OH価:240mg KOH/g。官能価:2.0。
リーキュア(登録商標)B−610(Leepoxy Plastics, Inc.):三フッ化ホウ素ベースの触媒。
DMP−30触媒(Sigma−Aldrich):2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール。
(IPA−DEGポリオールの調製)
イソフタル酸(652.7g)及びジエチレングリコール(688.9g)を、機械的撹拌、温度プローブ、窒素注入口、及びサイドアームコンデンサを有する充填コンデンサカラムを装備した反応容器に投入する。混合物を、約1時間かけて220℃に加熱する。蒸留物は迅速に除去し、混合物は透明になる。8時間後、酸価は13mg KOH/gに達する。終夜冷却後、加熱を再開する。温度が200℃に達したとき、テトラブトキシチタン(0.36g)を加える。ヒドロキシル価は213mg KOH/gである。ジエチレングリコール(31g)を加え、反応が完了したと判断されるまで、混合物を220℃に加熱する。最終ヒドロキシル価(補正):236mg KOH/g。
(IPA−HDOポリオールの調製)
イソフタル酸(1960g)及び1,6−ヘキサンジオール(2465g)を、機械的撹拌、温度プローブ、窒素注入口、及びサイドアームコンデンサを有する充填コンデンサカラムを装備した反応容器に投入する。混合物を、約1時間かけて220℃に加熱する。蒸留物はゆっくりと除去し、混合物は濁った白色のままである。終夜冷却後、加熱を再開し、2日目及び次いで3日目は220℃にする。3日目の終了時、テトラブトキシチタン(1.17g)を加える。ヒドロキシル価:242mg KOH/g。
(イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーの調製:周囲条件)
(実施例1)
ステパンポール(登録商標)PS−2402ポリエステルポリオール(48.0g、Stepan Companyの製品)を、エポン(登録商標)828樹脂(28.0g、Hexion Specialty Chemicalsの製品)、ルプラネート(登録商標)M−20ポリメリックMDI(20.0g、BASFの製品)、及びリーキュア(登録商標)B−610触媒(4.0g、4.0重量%、Leepoxy Plasticsの製品)と、室温で迅速に混合する。エポキシのイソシアネートに対するモル比は1:1である。i−PEEP指数は149である。数秒後、混合物は透明である。30秒間、混合を継続する。材料は約3.5分後に硬くなり、硬化生成物を得る。キャストエラストマー、コーティング、及び接着剤を含む、この材料から作製したポリマーの特性を表1に表す。
(実施例2〜20)
エポン(登録商標)828樹脂、ルプラネート(登録商標)M−20又はM10、及び表1に示す芳香族ポリエステルポリオール、又は表2に示す脂肪族ポリエステルポリオールを用いて、実施例1の手順に全体的に従う。触媒レベルは、3.5〜4分のゲル化時間を達成するように調整する。得られるキャストエラストマーの特性を表に与える。
(コーティング及びエラストマー試料の調製)
上に記載した反応生成物のそれぞれを、型に注ぎ入れ、又は表面にドローダウンし、試験のためのエラストマー又はコーティングの試料をそれぞれ準備する。エラストマー試料は、混合を開始してから約90秒後、約100gの反応混合物を7インチ×7インチ×0.1インチの型(周囲条件、離型材でコーティング済み)に注ぐことによって生成する。材料を約30秒の間に塗り、広がらせる。型の端に舌圧子を位置付け、外周の周囲に約0.07インチの孔をもたらす。ドッグボーン試料(5.5インチ×0.5インチ)を切断し、物理的試験の前に12時間、25℃及び50%相対湿度において状態調節する。低温、ルイス酸触媒方法を用いて生成した成形部又はコーティング(表1及び2参照)は、試験の前に室温で少なくとも5日、硬化させる。DMP−30アミン触媒を用いて生成した成形部又はコーティング(表3)は、試験の前に50℃〜70℃で少なくとも2時間、後硬化させる。
(機械的特性)
試料の試験及び分析については、汎用試験機(MTS リニュー(ReNew)(商標)システム)及びテストワークス(TestWorks)(登録商標)4.11ソフトウェアを用いる。ドッグボーン試料の中心試験部分は、0.5インチ幅及び1.65インチ長である。試料を、2.25インチ離してグリップ中に配置する。1000lb.荷重のセルを用いて、試料が破断するまで、2インチ/分の引張荷重速度で特性を測定する。引張強度、弾性率、破断点伸び、及び総エネルギー吸収を、少なくとも二重反復で測定し、平均する。
総エネルギー吸収(「T.E.A.」)は、汎用試験機のソフトウェア(テストワークス4.11)によって算出し、応力−ひずみ曲線の下の面積を、ドッグボーン試料の中心試験部分(テーパー部分)の表面積で正規化することによって得る。応力−ひずみ曲線の下の面積は、試料の破断までの伸長(インチ)を生じさせるのに要する合計の力(ポンド)の積から算出される。各試料について、表面積は0.825in.である。総エネルギー吸収は、試験した各試料の相対靭性の比較を可能にする測定値である。T.E.A.の単位はlb・in./in.である。
(硬度)
硬化i−PEEP試料の硬度は、ASTM 2240−85に準拠して、タイプAデュロメータ(Pacific Transducer、Model306L)を用いて決定する。先に記載したドッグボーン試料を用いる。
(ガラス転移温度)
ガラス転移温度(T)は、TA Instruments Discovery Seriesの示差走査熱量計、及びTA InstrumentsからのTrios(V3.2)ソフトウェアを用いて決定する。試料は、機械的特性試験に用いたドッグボーン試料から、10〜20mgの小片を切り取ることによって調製する。試料は正確に秤量し、試験パンでクリンプさせ、参照パンとともに装置の試料ホルダー中に配置する。試料を−50℃に冷却した後、−50℃から150℃まで、毎分5℃で加温する。i−PEEP試料は典型的には、−30℃〜35℃の範囲内に中点を有する、強いT信号を示す。
(コーティング特性試験)
テーバー摩耗試験は、ASTM D 4060に準拠して、5139 Taber Industries摩耗試験機を用いて行う。ある試料について、細かいキャリブレース(Calibrase)(登録商標)CS−17及び粗いキャリブレース(登録商標)H−18摩耗試験ホイール(Taber Industries)を用いて、別々の実験を行う。ホイールは、1000g重で表面に押し付ける。1000サイクル後、重量減少について試料を測定する。
クロメート/ホスフェート処理鋼(ACT試験パネル)の薄層コーティングで、耐衝撃性試験を行う。4インチ×6インチクーポンを、#200ドローダウンバー(BYK Co.)を用いて、注意深くコーティングする。ルイス酸触媒試料(表1及び2参照)は平らな表面に少なくとも5日間載置し、周囲条件で硬化させ、DMP−30触媒試料(表3参照)はオーブン中の平らな表面に少なくとも2時間取り付けて、60℃で硬化させる。硬化後、試験の前にさらに1週間、コーティングしたクーポンを周囲条件で保持した。
衝撃強度は、ガードナー衝撃試験機(BYKから)を用いて決定する。4lb.発射体を用いて、コーティングされた鋼試料に、発射体放出の高さに基づく様々な衝撃力を与える。衝撃強度(ポンドパーインチ)は、見てわかるコーティングの損傷を生じるのに必要な力である。直接衝撃(コーティング側の衝撃)及び間接衝撃(コーティングの反対側への衝撃)について、測定を行う。
(接着剤の調製及び試験)
ASTM D−1002の手順に全体的に従う。1in.×4in.×0.063in.の冷間圧延鋼(CRS)Q−パネル(登録商標)(Q−Panel)試験基材(Q−Lab Corp.)を供給されたまま用いて試験試料を調製し、周囲温度で硬化させる。i−PEEP系(100g)を開放カップで30秒間撹拌する。約1分後、反応液体材料を、CRS試験クーポンの1つの端の1インチ区域に塗る。第2の試験クーポンを、第1のクーポンの上に載置し、反応液体接着剤を挟む1in.の重なり区域を形成する。重なり領域にバインダークリップを取り付け、過剰な接着剤を除去する。重ね剪断強度試験の前に、少なくとも5日間、平らな表面で周囲条件において、集合体を硬化させる。
Instron汎用試験機(MTS リニュー(商標)システム)及びテストワークス(登録商標)4.11ソフトウェアを用いて、重ね剪断強度を測定する。バインダークリップを取り外し、金属クーポン片の非接着端を、試験機器に取り付けられたInstron30kN金属試験グリップ(モデル#2716−015)に固定する。次いで、重なりの結合に破損が発生するまで、0.05in/分で引張方向に集合体を引っ張る。各i−PEEP系について、破損点ピーク応力を二重反復で測定し、平均する。
(ルイス酸触媒、低温方法の結果)
(芳香族ポリエステルポリオール由来のイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー)
表1は、市販の及び研究所で生成した、各種芳香族ポリエステルポリオール、ポリメリックMDI、及びエポン(登録商標)828樹脂から調製したi−PEEP組成物を示す。表はまた、i−PEEP組成物を用いて生成したキャストエラストマー、コーティング、及び接着剤の特性を示す。
典型的なエポキシ系と比較して、芳香族ポリエステルポリオールをベースとするi−PEEP組成物は、より低いT(50℃未満)、高弾性率(100〜200kpsi)、増加した総エネルギー吸収(10〜50lb.・in./in)、及び多少は大きい極限伸び(3〜10%)を有する、同様の硬度のエラストマー(ショアA硬度94〜96)をもたらす。これらのi−PEEP組成物由来のコーティングは、上質のテーバー摩耗(1kg荷重においてホイールCS−17の1000サイクルで25mg未満)を示す。芳香族ポリエステルポリオールをベースとする組成物は一般に、比較的低い耐衝撃性を有するが、この点において、ステパンポール(登録商標)PC−1028−210(実施例7及び8)から生成した組成物は注目すべき例外である。表1に示すように、ルプラネート(登録商標)M−10(平均NCO官能価:2.3)を用いて作製したi−PEEP組成物は、ルプラネート(登録商標)M−20(平均NCO官能価:2.7)で作製した同様のi−PEEP組成物と比較した場合、いくらか大きい引張強度を有する。これらの配合物の大部分は、比較的良好な接着特性を提供し、冷間圧延鋼上で一般に1000〜2500psiの範囲内の重ね剪断値を有する。
これらのスクリーニング例から、所望の特性を達成するように配合物を微調整する機会が豊富であることは明らかである。
(脂肪族及び混合脂肪族/芳香族ポリエステルポリオール由来のイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー)
表2は、市販の及び研究所で生成した、各種脂肪族及び混合脂肪族/芳香族ポリエステルポリオール、ポリメリックMDI、並びにエポン(登録商標)828樹脂から調製したi−PEEP組成物を示す。表はまた、i−PEEP組成物を用いて生成したキャストエラストマー、コーティング、及び接着剤の特性を示す。
これらの例において、i−PEEP指数は比較的高い(165〜170)。芳香族ポリエステルポリオール由来のi−PEEP生成物(表1)と比較して、これらの組成物は、低い剛性(100kpsiを大きく下回る弾性値)、遥かに大きい極限伸び(20〜200%)、高い総エネルギー吸収(40〜220lb.・in./in.)、並びに遥かに良好な直接及び間接耐衝撃性(160lb./in.超)を有する。脂肪族二酸含有率は、生成物の柔軟性を向上させるために有用である。
(アミンで触媒するi−PEEP組成物の室温調製)
イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシド組成物は、アミン触媒(例えば、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールである「DMP−30」)の存在下、周囲条件で作製することができる。これらの組成物を、試験する前に後硬化する。
(実施例21)
典型的な例において、エポン(登録商標)828樹脂(40.0g、0.208eq.)を、ステパンポール(登録商標)PS−2402(62.3g、0.26eq.)、ルプラネート(登録商標)M−10(6.87g、0.052eq.)、及びDMP−30触媒(3.0g)とともに、紙カップで1分間、手動で撹拌する。数秒の混合後、混合物は透明になる。反応生成物を60℃のオーブンに2時間入れ、後硬化させる。このポリマーから切断したドッグボーン試料の特性を、表3に表示する。
(実施例22〜27)
各種ポリエステルポリオール、又はポリオールのブレンドを用いて、実施例21の手順に全体的に従う。i−PEEP指数は100又は180である。エポキシのイソシアネートに対するモル比は、60/40と80/20との間で変化させる。得られたエラストマー試料を試験した結果を、表3に表示する。
全体として、表3の結果は異なるi−PEEP組成物から得られる、幅広い特性を表している。表1及び2の結果と比較して、結果は、低温方法には、塩基触媒よりむしろルイス酸を用いるのが好ましいことを示唆している。
表1〜3のスクリーニング例から、ある割合の脂肪族二酸含有率をポリエステルポリオールに組み込むことによって、又は芳香族及び脂肪族のポリエステルポリオールをブレンドすることによって、配合者は、芳香族ポリエステルポリオールをベースとするi−PEEP系の、硬度と剛性の特性のバランスを取れることは明らかである。
2ステップ方法との比較:
本発明の方法では、触媒の存在下、低温(0℃〜40℃)で、又は任意選択で触媒の存在下、高温(40℃〜100℃)のいずれかで、ポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールとを単一ステップで反応させる。本発明者は、1ステップ方法が、所望の特性を有するコーティング、エラストマー、及び他の生成物をもたらすことを見出した。一方、ポリエステルポリオールをまずポリイソシアネートと反応させてプレポリマーを得て、本発明による割合のプレポリマーとポリエポキシドとの反応が続く段階的方法は、許容可能な生成物を提供することができない。同様に、本発明による割合でポリエステルポリオールをまずポリエポキシドと反応させ、ポリエステル−エポキシド生成物とポリイソシアネートとの反応が続く段階的方法も、許容可能な生成物を提供することができない。いくつかの説明を続ける。
配合実施例7について用いた単一ステップ方法は、耐衝撃コーティング、高い剛性及び引張強度を有するエラストマー、又は良好な重ね剪断強度を有する接着剤として有用なイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーをもたらす。
(比較例A1)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1028−210を、まずルプラネート(登録商標)M−20と反応させてプレポリマーを得ること以外、配合実施例7を繰り返す。室温で30秒の混合後、続いて混合物を0.5時間放置すると、プレポリマーは固体であるか、ルイス酸触媒の存在下、室温でエポン(登録商標)828樹脂と組み合わせるには粘性が高過ぎるかのいずれかである。したがって、この段階的方法を用いると、1ステップで作製した実施例7の生成物には到達しない。
(比較例A2)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1028−210を、まず4%リーキュア(登録商標)B−610触媒の存在下、エポン(登録商標)828樹脂と室温で反応させてポリエステル−エポキシド反応生成物を得ること以外、配合実施例7を繰り返す。ポリエステル−エポキシド反応生成物は、15分以内に固化するため、この材料をルプラネート(登録商標)M−20とさらに反応させることはできない。したがって、この代替の段階的方法を用いると、実施例7の生成物には到達しない。
配合実施例2について用いた単一ステップ方法は、高い剛性及び引張強度を有するエラストマーを生成するために有用な、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーをもたらす。
(比較例B1)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PS−2402を、まずルプラネート(登録商標)M−10と反応させてプレポリマーを得ること以外、配合実施例2を繰り返す。室温で30秒の混合後、続いて混合物を0.5時間放置すると、プレポリマーは固体であるか、ルイス酸触媒の存在下、室温でエポン(登録商標)828樹脂と組み合わせるには粘性が高過ぎるかのいずれかである。したがって、この段階的方法を用いると、1ステップで作製した実施例2の生成物には到達しない。
(比較例B2)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PS−2402を、まず4%リーキュア(登録商標)B−610触媒の存在下、エポン(登録商標)828樹脂と室温で反応させてポリエステル−エポキシド反応生成物を得ること以外、配合実施例2を繰り返す。ポリエステル−エポキシド反応生成物は、15分以内に固化するため、この材料をルプラネート(登録商標)M−10とさらに反応させることはできない。したがって、この代替の段階的方法を用いると、実施例2の生成物には到達しない。
配合実施例18について用いた単一ステップ方法は、良好な耐衝撃性、大きい伸び、及び高い総エネルギー吸収を有するエラストマーを生成するために有用な、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーをもたらす。
(比較例C1)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1021−210を、まずルプラネート(登録商標)M−10と反応させてプレポリマーを得ること以外、配合実施例18を繰り返す。室温で30秒の混合後、続いて混合物を0.5時間放置すると、プレポリマーは固体であるか、ルイス酸触媒の存在下、室温でエポン(登録商標)828樹脂と組み合わせるには粘性が高過ぎるかのいずれかである。したがって、この段階的方法を用いると、1ステップで作製した実施例18の生成物には到達しない。
(比較例C2)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1021−210を、まず4%リーキュア(登録商標)B−610触媒の存在下、エポン(登録商標)828樹脂と室温で反応させてポリエステル−エポキシド反応生成物を得ること以外、配合実施例18を繰り返す。ポリエステル−エポキシド反応生成物は、15分以内に固化するため、この材料をルプラネート(登録商標)M−10とさらに反応させることはできない。したがって、この代替の段階的方法を用いると、実施例18の生成物には到達しない。
配合実施例19について用いた単一ステップ方法は、良好な耐衝撃性及び優れた耐摩耗性を有するエラストマーを生成するために有用な、イソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマーをもたらす。
(比較例D1)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1040−210を、まずルプラネート(登録商標)M−20と反応させてプレポリマーを得ること以外、配合実施例19を繰り返す。室温で30秒の混合後、続いて混合物を0.5時間放置すると、プレポリマーは固体であるか、ルイス酸触媒の存在下、室温でエポン(登録商標)828樹脂と組み合わせるには粘性が高過ぎるかのいずれかである。したがって、この段階的方法を用いると、1ステップで作製した実施例19の生成物には到達しない。
(比較例D2)
ポリエステルポリオールであるステパンポール(登録商標)PC−1040−210を、まず4%リーキュア(登録商標)B−610触媒の存在下、エポン(登録商標)828樹脂と室温で反応させてポリエステル−エポキシド反応生成物を得ること以外、配合実施例19を繰り返す。ポリエステル−エポキシド反応生成物は、15分以内に固化するため、この材料をルプラネート(登録商標)M−20とさらに反応させることはできない。したがって、この代替の段階的方法を用いると、実施例19の生成物には到達しない。
Figure 2020510725

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前述の実施例は説明のみを意図し、以下の特許請求の範囲が本発明の主題を定義する。

Claims (38)

  1. (a)125〜250g/eq.の範囲内の当量重量を有するポリエポキシド化合物と、
    (b)ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物であり、前記ポリエステルポリオールが50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価、及び5mg KOH/g未満の酸価を有する、ポリオール組成物と、
    (c)2.0〜3.0の範囲内の平均NCO官能価を有するポリイソシアネートと
    の反応生成物を含むイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物であって、
    前記ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対前記ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比が0.2〜2の範囲内であり、本明細書において定義されるi−PEEP指数が100〜200の範囲内であり、前記i−PEEP組成物が示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有する、i−PEEP組成物。
  2. 前記ポリエポキシド化合物が芳香族ポリエポキシドである、請求項1に記載のi−PEEP組成物。
  3. 前記芳香族ポリエポキシドが、ビスフェノールとエピクロロヒドリンとの、185〜200g/eq.の範囲内の当量重量を有する反応生成物である、請求項2に記載のi−PEEP組成物。
  4. 前記ポリオール組成物が芳香族ポリエステルポリオールを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  5. 前記ポリエステルポリオールが、60〜350mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、及び1.8〜3.5の範囲内の平均ヒドロキシル官能価を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  6. 前記ポリイソシアネートが芳香族ポリイソシアネートである、請求項1〜5のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  7. 前記ポリイソシアネートがポリメリックMDIである、請求項6に記載のi−PEEP組成物。
  8. −5℃〜30℃の範囲内のガラス転移温度を有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  9. 前記ポリエポキシド化合物と、前記ポリイソシアネートと、前記ポリオール組成物とが、125〜165の範囲内のi−PEEP指数で組み合わされている、請求項1〜8のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  10. 前記ポリエステルポリオールが芳香族ポリエステルポリオールであり、前記i−PEEP組成物が少なくとも5%のASTM D412、方法Aによる破断点伸びを有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  11. 前記ポリエステルポリオールが脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含み、前記i−PEEP組成物が少なくとも70%のASTM D412、方法Aによる破断点伸びを有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物を含むコーティング。
  13. 前記ポリエステルポリオールが脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含み、前記コーティングが少なくとも160lbs/in.の直接及び間接耐衝撃性値を有する、請求項12に記載のコーティング。
  14. ホイールCS−17を用いた1000サイクル及び1kg荷重で20mg未満のテーバー摩耗値を有する、請求項12又は13に記載のコーティング。
  15. 請求項1〜11のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物を含む、エラストマー又は微孔質エラストマー。
  16. 前記ポリエステルポリオールが芳香族ポリエステルポリオールであり、前記エラストマーが少なくとも90のショアA硬度、少なくとも4000psiのピーク引張応力及び少なくとも100,000psiの弾性率を有する、請求項15に記載のエラストマー又は微孔質エラストマー。
  17. 前記ポリエステルポリオールが脂肪族ジカルボン酸の反復単位を含み、前記エラストマーが少なくとも70%の伸びを有する、請求項15又は16に記載のエラストマー又は微孔質エラストマー。
  18. 請求項1〜11のいずれか一項に記載のi−PEEP組成物を含む接着剤又はシーラント。
  19. 示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有するイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物を生成する方法であって、前記方法が、触媒の存在下、125〜250g/eq.の範囲内の当量重量を有するポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物とを含む混合物を0℃〜40℃の範囲内の温度で反応させるステップを含み、前記ポリエステルポリオールが、50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価及び5mg KOH/g未満の酸価を有し、前記ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対前記ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比が0.2〜2の範囲内であり、本明細書において定義されるi−PEEP指数が100〜200の範囲内である、方法。
  20. 前記反応させるステップが室温で行われる、請求項19に記載の方法。
  21. 前記触媒がルイス酸化合物を含む、請求項19又は20に記載の方法。
  22. 前記触媒が、三フッ化ホウ素と、アミン、エーテル、アルコール、ポリオール、又はこれらの組み合わせとの錯体を含む、請求項21に記載の方法。
  23. 前記i−PEEP組成物が、室温で、又は50℃〜150℃の範囲内の温度で加熱することによって後硬化される、請求項21又は22に記載の方法。
  24. 前記触媒が塩基であり、前記i−PEEP組成物が、50℃〜150℃の範囲内の温度で加熱することによって後硬化される、請求項19に記載の方法。
  25. 前記塩基が、アミン化合物、ポリアミン、ポリアミド、又はこれらの混合物を含む、請求項24に記載の方法。
  26. 前記ポリオール組成物が芳香族ポリエステルポリオールを含む、請求項19〜25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記i−PEEP組成物がコーティング、接着剤、シーラント、又はエラストマーである、請求項19〜26のいずれか一項に記載の方法。
  28. 前記ポリエポキシド化合物と、前記ポリイソシアネートと、前記ポリオール組成物とが、125〜165の範囲内のi−PEEP指数で組み合わされている、請求項19〜27のいずれか一項に記載の方法。
  29. 示差走査熱量測定によって測定する場合に−30℃〜35℃の範囲内のガラス転移温度を有するイソシアネート修飾ポリエステル−エポキシドポリマー(i−PEEP)組成物を生成する方法であって、前記方法が、任意選択で触媒の存在下、125〜250g/eq.の範囲内の当量重量を有するポリエポキシド化合物と、ポリイソシアネートと、ポリエステルポリオールを含むポリオール組成物とを含む混合物を40℃〜100℃の範囲内の温度で加熱するステップを含み、前記ポリエステルポリオールが、50〜400mg KOH/gの範囲内のヒドロキシル価、1.5〜4.0の範囲内の平均ヒドロキシル官能価及び5mg KOH/g未満の酸価を有し、前記ポリエポキシド化合物のエポキシ当量対前記ポリオール組成物のヒドロキシル当量の比が0.2〜2の範囲内であり、本明細書において定義されるi−PEEP指数が100〜200の範囲内である、方法。
  30. 前記ポリエポキシド化合物と、前記ポリオール組成物と、前記ポリイソシアネートとを含む混合物を60℃〜90℃の範囲内の温度で加熱する、請求項29に記載の方法。
  31. 加熱する前記ステップを、ルイス酸化合物を含む触媒の存在下で行う、請求項29又は30に記載の方法。
  32. 前記触媒が、三フッ化ホウ素と、アミン、エーテル、アルコール、ポリオール、又はこれらの組み合わせとの錯体を含む、請求項31に記載の方法。
  33. 前記i−PEEP組成物が、室温で、又は50℃〜150℃の範囲内の温度で加熱することによって後硬化される、請求項31又は32に記載の方法。
  34. 加熱する前記ステップを塩基触媒の存在下で行い、前記i−PEEP組成物が、50℃〜150℃の範囲内の温度で加熱することによって後硬化される、請求項29に記載の方法。
  35. 前記塩基触媒が、アミン化合物、ポリアミン、ポリアミド、又はこれらの混合物を含む、請求項34に記載の方法。
  36. 前記ポリオール組成物が芳香族ポリエステルポリオールを含む、請求項29〜35のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記i−PEEP組成物がコーティング、接着剤、シーラント、又はエラストマーである、請求項29〜36のいずれか一項に記載の方法。
  38. 前記ポリエポキシド化合物と、前記ポリイソシアネートと、前記ポリオール組成物とが、125〜165の範囲内のi−PEEP指数で組み合わされている、請求項29〜37のいずれか一項に記載の方法。
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