JP3219769B2 - 樹脂バインダー組成物 - Google Patents

樹脂バインダー組成物

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JP3219769B2
JP3219769B2 JP51808294A JP51808294A JP3219769B2 JP 3219769 B2 JP3219769 B2 JP 3219769B2 JP 51808294 A JP51808294 A JP 51808294A JP 51808294 A JP51808294 A JP 51808294A JP 3219769 B2 JP3219769 B2 JP 3219769B2
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チェン,マイケル・シー
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ペルストルプ・ケミテック・アクチボラグ
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G16/00Condensation polymers of aldehydes or ketones with monomers not provided for in the groups C08G4/00 - C08G14/00
    • C08G16/02Condensation polymers of aldehydes or ketones with monomers not provided for in the groups C08G4/00 - C08G14/00 of aldehydes
    • C08G16/025Condensation polymers of aldehydes or ketones with monomers not provided for in the groups C08G4/00 - C08G14/00 of aldehydes with heterocyclic organic compounds
    • C08G16/0256Condensation polymers of aldehydes or ketones with monomers not provided for in the groups C08G4/00 - C08G14/00 of aldehydes with heterocyclic organic compounds containing oxygen in the ring
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフルフリルアルコールとホルムアルデヒドと
の反応生成物に、さらに特定的には、複合物品のための
バインダーとして使用するために非常に適する有利な性
質をもつ樹脂状のフルフリルアルコール・ホルムアルデ
ヒド反応生成物に関する。
カナダ特許第1,200,336号は、約50重量%までの量の
水で希釈でき、また硬化または固化したときには、木質
パーティクルボードのような複合物品の製造、あるいは
ガラス繊維からの断熱バッティング、ウエーファーボー
ド、配向ファイバーボード、マットボード、ハードボー
ド、プレスボード、種々のファイバーグラス物品等の製
造、そして防音タイル及断熱マットもしくはボードのよ
うな低密度非金型成形複合物品の製造におけるバインダ
ーとして有用である樹脂質フラン・ホルムアルデヒド縮
合生成物に関している。
上記のカナダ特許に開示された発明は複合物品の製造
に際して、スプレー具による如く、塗布を促進するよう
に、50重量%までの水で希釈されうる樹脂質バインダー
組成物を提供することにおいて著しく技術寄与をなし
た。しかしながら、水と著しく高度の混和性を示す樹脂
バインダー組成物は、複合物を製造する技術においては
非常に望ましい。さらには、最近の環境上の関心は、水
と高度に混和性であるだけではなく、それと同時に極め
て低水準のフルフリルアルコール及びホルムアルデヒド
を含み、また室温または高い硬化温度において極めて低
水準の揮発性有機化合物(VOC)を発生するに過ぎない
樹脂バインダーに対する需要を作り出してきている。
従って本発明の主要な目的は、複合物品のためのバイ
ンダーとして非常に有利な高度に望ましい諸性質を兼備
している樹脂質のフルフリルアルコール・ホルムアルデ
ヒド反応生成物を提供することである。
本発明の別の目的は、フルフリルアルコールとホルム
アルデヒドとの反応生成物からなり、比較的低い硬度温
度において迅速に硬質の固化状態にまで硬化し、そして
室温または熱硬化中に極めて低水準の揮発性有機化合物
を発生する液体樹脂組成物を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、フルフリルアルコールと
ホルムアルデヒドとの反応生成物からなる樹脂質の熱硬
化性組成物であって、フェノール系レゾール及びノボラ
ック樹脂が広く用いられている用途においてそれらの樹
脂の代りに使用されうるものを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、フルフリルアルコールと
ホルムアルデヒドとの反応生成物からなり、水に不溶性
物質を低水準で含む樹脂質の熱硬化性組成物を提供する
ことである。
本発明のさらに別の目的は、低水準の遊離のフルフリ
ルアルコール及びホルムアルデヒドを含む、フルフリル
アルコールとホルムアルデヒドとの反応生成物からな
り、水性環境中に固化状態にまで迅速に硬化する樹脂質
熱硬化性組成物を提供することである。
本発明のさらなる目的は、フルフリルアルコールとホ
ルムアルデヒドとの反応生成物からなり、複合物品の製
造に際して、スプレー法によるように、バインダーとし
ての塗布を容易に行なえるように水と高度に混和性であ
り、あるいは水で高度に希釈できる樹脂質の熱硬化性組
成物を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、複合物品のためのバイン
ダーとして組成物を塗布する際に用いられるスプレー装
置の好ましくない詰りを最少化するように少量の不水溶
性固型分を含む液体樹脂質の熱硬化性組成物を提供する
ことである。
本発明の新しい有利な樹脂バインダー組成物は、フル
フリルアルコールと過剰のホルムアルデヒドとを反応さ
せることにより製造され、この過剰とはフルフリルアル
コールの1モル当り少なくとも2モルのホルムアルデヒ
ドの程度である。さらに好ましくは、フルフリルアルコ
ール:ホルムアルデヒドのモル比は、少なくとも約1:2.
50ないし1:3.50の範囲内である。反応は有機酸を触媒と
し、高温、例えば約110℃ないし130℃の温度で、及び約
4.00ないし4.50のpHで行なわれる。ホルムアルデヒド
は、パラホルムアルデヒドのような、種々の形で採用さ
れうる。
これらの条件下でフルフリルアルコールとホルムアル
デヒドの反応は、例えば4.0ないし9.0時間にわたって制
御された速度で実施される。反応時間中の反応の進行は
反応混合物中の遊離フルフリルアルコール含量の低減に
伴なわれる。反応は、フルフリルアルコールの含量が、
反応混合物の約5重量%以下好ましくは0.2重量%未満
の所望水準に低減されてしまうまで高温において継続さ
せられる。遊離フルフリルアルコールの所望の低水準が
達成されたときに、反応混合物を、例えば水浴中に浸漬
することにより、室温(約70゜F;約21℃)にまで急速
に冷却して、反応を停止させる。この冷却時間中及び温
度が約70゜F(約21℃)またはそれ以下にまで低下した
ときに、反応生成物樹脂のサンプルを反応混合物から遊
離ホルムアルデヒド含量の測定のために採取する。メラ
ミンまたは尿素等のようなホルムアルデヒドスカベンジ
ャーを、次いで添加して、反応混合物中の遊離または未
反応のホルムアルデヒドと反応させる。そのスカベンジ
ャーは、反応混合物中の遊離ホルムアルデヒドと反応す
るのに充分なモル量で添加され、また温度またはそれ以
下で添加される。典型的には、その混合物は次いで1な
いし2時間撹拌して、スカベンジャーと遊離ホルムアル
デヒドとの反応が実質上完結するようにする。スカベン
ジャーと遊離ホルムアルデヒドとの反応を示す発熱が観
察される。好ましくは、ホルムアルデヒドスカベンジャ
ーは、反応混合物の最終の遊離ホルムアルデヒド含量
を、その約0.5重量%未満にまで低減させる量で添加さ
れる。得られる樹脂は、もしも非酸性樹脂バインダーが
所望されるのであれば、水酸化アンモニウムまたは水酸
化ナトリウムのような塩基で中和されうる。一般的に、
硬化反応性は、樹脂が反応の終期に4.5よりも実質的に
高いpHにまで中和されないときに、より高い。
酢酸、プロピオン酸、酪酸、スクシン酸等のように、
約4以上のpKaを有する弱有機モノマーもしくはポリマ
ーカルボン酸がフルフリルアルコールの約1ないし10重
量%の量で触媒として使用され、また水酸化ナトリウム
のようなアルカリが反応pHを約4.0ないし4.5範囲内に維
持するために用いられる。プロピオン酸は好ましい酸触
媒である。
本発明の樹脂バインダー組成物は、極めて高い水混和
性を示すことを特徴とするものであり、過剰量の水で希
釈されたときに、樹脂の90%、好ましくは少なくとも95
%が水に可溶である。例えば、5gの樹脂を95gの水に加
えたときに、樹脂のうちの少なくとも4.5gは水に可溶で
ある。この樹脂組成物の高い水混和性は、望ましくない
量の樹脂をバインダーとして使用する以前に棄てる必要
がないこと、ならびに複合材基体上の著しく改善された
樹脂分布が高水混和性の樹脂で達成されうることにおい
て有利である。
ここで用いられている用語「不水溶性分」は、5.0gの
樹脂が95.0gの脱イオン水に添加されたときに、水中に
少なくとも8時間静置後に沈析する残渣(または固型
分)の量を意味する。不水溶性分の百分率は下記の式に
よって計算できる: ここで用いられている用語「水混和性」は、5.0gの樹脂
が95.0gの脱イオン水に添加されたときに、水中に少な
くとも8時間静置後に、溶解性である樹脂の量を意味す
る。水混和性の百分率は下記式によって計算されうる: 明らかなように、水混和性と不水溶性分との間には逆の
関係が存在し、不水溶性分の量が低ければ、水混和性が
大きくなる。
以下の特定実施例は本発明をさらに例示する。
実施例1 この実施例はフルフリルアルコール1モル当り2.75モ
ルのホルムアルデヒドを用いての本発明の好ましい樹脂
バインダー組成物の製造を例示するものであり、656ポ
ンド(297.6kg)のフルフリルアルコール(6.69ポンド
−モル)、600ポンド(272.2kg)のパラホルムアルデヒ
ド(91〜93%純度;18.4ポンド−モル)、2.82ポンド
(1.28kg)の水酸化ナトリウム(50%水溶液)及び102.
1ポンド(46.3kg)のプロピオン酸を350ガロン(1591
)の反応器に仕込んだ。反応混合物を大気圧下に114
−119℃に加熱し、フルフリルアルコール含量が0.64%
に低減するまで8.5時間保持した。次いで生成物を急速
に27℃まで冷却し、そして約371ポンド(168.3kg)の尿
素溶液(50%水溶液)を添加したが、これは、分析され
た遊離ホルムアルデヒドの13.7重量%の基き1当量であ
る。尿素の添加後、混合物を1時間混合し、次いで50ミ
クロンフィルターを介して濾過した。生成樹脂の分析値
は表1に与えられている。
実施例2 この実施例は、樹脂を水酸化アンモニウムで中和して
の、本発明によるフルフリルアルコール・ホルムアルデ
ヒド樹脂の製造を例示する。108ポンド(49.0kg)のフ
ルフリルアルコール(1.10ポンド−モル)、100ポンド
(45.4kg)のパラホルムアルデヒド(91〜93%純度;3.0
7ポンド−モル)、0.5ポンド(227g)の水酸化ナトリウ
ム(60%水溶液)及び16.9ポンド(7.67kg)のプロピオ
ン酸を50ガロン(227)反応器に仕込んだ。次いで反
応混合物を微加圧下に116〜125℃に加熱し、フルフリル
アルコール含量が0.65%に低減するまで保持した(これ
は4時間要した)。次いで生成物を85℃まで冷却し、22
ポンド(9.98kg)の尿素溶液(50%水溶液)を加えた
が、これは推定ホルムアルデヒド含量に基き1当量であ
る。これを1時間混合し、30℃に冷却し、そして42ポン
ド(19.1kg)の水酸化アンモニウム(28%水溶液)を添
加して7.2のpHに中和した。樹脂の分析値は表1に与え
られている。
実施例3 この実施例は、ホルムアルデヒド:フルフリルアルコ
ールの3.5のモル比を用いた本発明を例示する。686.6g
のフルフリルアルコール(7.0モル)、800.5gのパラホ
ルムアルデヒド(91〜93%純度;24.5モル)、3gの水酸
化ナトリウムペレット及び109gのプロピオン酸を3の
フラスコに仕込んだ。次いで反応混合物を撹拌しつつ11
6℃に加熱し、フルフリルアルコール含量が0.5%に低減
するまで保持した。次いで生成物を室温(22℃)まで急
速に冷却した。この樹脂の分析値は表1に与えられてい
る。
実施例4 この実施例は、カナダ特許第1,200,316号の如き先行
文献の技術に従うフルフリルアルコール・ホルムアルデ
ヒド樹脂の製造を示す。この実施例においては、本発明
によるホルムアルデヒド:フルフリルアルコールの高い
モル比は用いられなかった。991.6gのフルフリルアルコ
ール(10.1モル)、412.5gのパラホルムアルデヒド(91
〜93%純度、12.0モル)、40.1gの氷酢酸及び144.1gの
水を3リットルフラスコに仕込んだ。次いで反応混合物
を撹拌しつつ還流(100℃)まで加熱し、粘度が、ブル
ックフィールド粘度計で測定して25℃で60センチポイズ
に達するまでほぼ4時間保持した。
この時点で生成物を二つの部分に分割した。60センチ
ポイズの粘度の一方の部分(506.4g)の樹脂を140℃の
温度に至るまで、60mn水銀減圧で真空ストリッピングし
た。345.9gの生成物が得られた。この生成物の分析値は
表1に与えられている。
実施例5 実施例4からの60センチポイズ粘度の中間体(第2の
部分)も、真空ストリッピングではなくさらに反応させ
ることによりフルフリルアルコール含量を低めるように
進行した。かくして60センチポイズ粘度の136.4gの樹脂
をさらに2時間(100℃)還流させて、131.2gの生成物
とした。この生成物の分析値は表1に与えられている。
本発明の樹脂組成物を、ダイナミック・メカニカル分
析(DMA)によって、それらの硬化活性について試験し
た。
ダイナミック・メカニカル分析においては、粘弾性物
質に応力を掛け、次いで解放する。これによって、被検
物質の固有周波特性における機械的振動が生じる。この
エネルギーの若干は消滅(熱となり失われる)または減
衰し、振動の振幅が減少する。ダイナミック・メカニカ
ル分析においては、消滅するエネルギーに等しいある量
のエネルギーが各サイクルに対して付加されて一定の振
幅を維持する。この補充エネルギーはサンプル減衰の直
接的目安である。温度プログラムによってサンプルが加
熱されるにつれて、この減衰は硬化による影響を受け
る。硬化が開始する時までは減衰は一定である。樹脂が
硬化するにつれて、減衰は硬化が完結される時まで変化
し、その時再び一定となる。従ってダイナミック・メカ
ニカル分析は、硬化が開始する温度及び硬化が完結され
る温度を与える。
ダイナミック・メカニカル分析による試験の結果は表
2に示されている。
本発明の樹脂バインダー組成物は、水で希釈して、公
知製造操作に従って利用でき、そのバインダーを塗付さ
れた基体はそのバインダーを硬質の熱硬化状態にまで硬
化させるように、熱に付される。一般的に、250ないし4
50゜F(121ないし232℃)のオーダーの温度は、樹脂バ
インダーを硬化させるのに充分である。ゴールドスタイ
ン及びドレハーの論文「安定なフルフリルアルコール含
浸用溶液(Stable furfuryl alcohol impregnating sol
utions)」、Ind.Eng.Chem.,第52巻、第1号(1960年1
月)第58頁、等に開示されているような硬化触媒を用い
て、公知の如く、バインダーの硬化を促進することがで
きる。そのような触媒の例は、硝酸カドミウム、硝酸コ
バルト、硝酸ニッケル、硝酸亜鉛、硝酸アンモニウム、
塩化アンモニウム、硫酸アルミニウム、硫酸銅、硫酸ア
ンモニウム、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、マロン酸、
マレイン酸、シュウ酸、クロロ酢酸、及びサリチル酸で
ある。
トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ジクロロ
酢酸、トリクロロ酢酸、リン酸等の強酸であっても、熱
硬化されない系においてこれらの樹脂バインダーを硬化
させるのに使用できる。
本発明の精神内に入るこれらの改変及び均等事項はそ
の一部分と考えられるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チェン,マイケル・シー アメリカ合衆国インディアナ州47905, ラファイエット,ロウム・ドライブ 3865 (56)参考文献 英国特許出願公開1303707(GB,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08G 61/12 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (29)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フルフリルアルコールとホルムアルデヒド
    との少なくとも1:2のモル比での反応生成物からなり、
    硬質の固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物であ
    って、さらにその樹脂が水不溶性物質を10重量%以下含
    むことを特徴とする上記液体樹脂組成物。
  2. 【請求項2】約1:2.75のモル比のフルフリルアルコール
    とホルムアルデヒドとの反応生成物からなる請求項1に
    記載の液体樹脂組成物。
  3. 【請求項3】約1:3.50のモル比のフルフリルアルコール
    とホルムアルデヒドとの反応生成物からなる請求項1に
    記載の液体樹脂組成物。
  4. 【請求項4】樹脂が約5重量%以下の水不溶性物質を含
    む請求項1に記載の液体樹脂組成物。
  5. 【請求項5】樹脂が約5重量%以下のフルフリルアルコ
    ールを含む請求項1に記載の液体樹脂組成物。
  6. 【請求項6】フルフリルアルコールとホルムアルデヒド
    とを少なくとも約1:2のモル比で高温において、約4以
    上のpKaを有する弱酸の存在下に反応させ、そして液状
    の樹脂反応生成物を回収することからなる、固化状態に
    まで熱硬化しうる液体樹脂組成物の製造方法。
  7. 【請求項7】フルフリルアルコールとホルムアルデヒド
    とのモル比が少なくとも約1:2.75である請求項6に記載
    の方法。
  8. 【請求項8】フルフリルアルコールとホルムアルデヒド
    とのモル比が少なくとも約1:3.50である請求項6に記載
    の方法。
  9. 【請求項9】反応生成物の回収に先立って、ホルムアル
    デヒドスカベンジャーを反応混合物中に導入して遊離ホ
    ルムアルデヒドと反応させる請求項6に記載の方法。
  10. 【請求項10】ホルムアルデヒドスカベンジャーが尿素
    である請求項9に記載の方法。
  11. 【請求項11】反応生成物の回収に先立って、塩基を反
    応混合物中に導入して実質的に中性のpHの樹脂の回収を
    達成する請求項6に記載の方法。
  12. 【請求項12】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとを少なくとも約1:2のモル比で一緒に混合し、その
    混合物の初期pHを少なくとも約4.0に調節し、その混合
    されたフルフリルアルコールとホルムアルデヒドとを少
    なくとも約4のpKaを有する弱有機酸の存在下に高温
    で、反応生成物のフルフリルアルコール含量を予め定め
    た低水準にまで減少させるのに充分な時間反応させ、そ
    して低量の揮発性有機化合物を含み、10重量%以下の水
    不溶性物質を含む液体樹脂組成物を回収することからな
    る、固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物の製造
    方法。
  13. 【請求項13】反応生成物のフルフリルアルコール含量
    を約5重量%以下にまで減少させるのに充分な時間反応
    を実施する請求項12に記載の方法。
  14. 【請求項14】反応生成物のフルフリルアルコール含量
    を約0.2重量%以下にまで減少させるのに充分な時間反
    応を実施する請求項12に記載の方法。
  15. 【請求項15】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとのモル比が少なくとも約1:2.5である請求項12に記
    載の方法。
  16. 【請求項16】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとのモル比が少なくとも約1:3.50である請求項12に記
    載の方法。
  17. 【請求項17】反応生成物の回収に先立って、ホルムア
    ルデヒドスカベンジャーを反応混合物に添加して遊離ホ
    ルムアルデヒドと反応させる請求項12に記載の方法。
  18. 【請求項18】ホルムアルデヒドスカベンジャーが尿素
    である請求項17に記載の方法。
  19. 【請求項19】反応生成物の回収に先立って、塩基を反
    応混合物中に導入して実質的に中性のpHの樹脂の回収を
    達成する請求項12に記載の方法。
  20. 【請求項20】塩基が水酸化アンモニウムである請求項
    19に記載の方法。
  21. 【請求項21】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとの少なくとも1:2のモル比での反応生成物からな
    り、硬質の固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物
    であって、その組成物が水不溶性物質を10重量%以下含
    み且つフルフリルアルコールを約5重量%以下含む上記
    液体樹脂組成物。
  22. 【請求項22】少なくとも約4のpKaを有する弱有機酸
    の共存下にフルフリルアルコールとホルムアルデヒドと
    の反応生成物を含む請求項21に記載の組成物。
  23. 【請求項23】約0.5重量%以下のホルムアルデヒドを
    含む請求項21に記載の組成物。
  24. 【請求項24】少なくとも約4のpKaを有する弱有機酸
    の共存下にフルフリルアルコールとホルムアルデヒドと
    の反応生成物を含む請求項23に記載の組成物。
  25. 【請求項25】少なくとも約4のpKaを有する弱有機酸
    の共存下にフルフリルアルコールとホルムアルデヒドと
    の少なくとも1:2のモル比での反応生成物からなり、硬
    質の固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物であっ
    て、その樹脂が水不溶性物質を10重量%以下含む上記液
    体樹脂組成物。
  26. 【請求項26】有機酸を酢酸、プロピオン酸、酪酸およ
    びコハク酸からなる群から選択する請求項25に記載の組
    成物。
  27. 【請求項27】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとの少なくとも1:2のモル比での反応生成物からな
    り、硬質の固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物
    であって、さらにその樹脂が水不溶性物質を10重量%以
    下含み且つホルムアルデヒドを約0.5重量%以下含むこ
    とを特徴とする上記液体樹脂組成物。
  28. 【請求項28】少なくとも約4のpKaを有する弱有機酸
    の共存下にフルフリルアルコールとホルムアルデヒドと
    の反応生成物を含む請求項27に記載の組成物。
  29. 【請求項29】フルフリルアルコールとホルムアルデヒ
    ドとの約1:3.50のモル比での反応生成物からなり、硬質
    の固化状態にまで熱硬化しうる液体樹脂組成物であっ
    て、さらにその樹脂が水不溶性物質を10重量%以下含む
    ことを特徴とする上記液体樹脂組成物。
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