JP3478883B2 - 水性樹脂組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は塗料、接着剤、表面処理
剤などに用いられる水性樹脂組成物に関する。さらに詳
しくは、特定の、一分子内にエポキシ基と乳化性基をも
つ自己乳化性エポキシ化合物によって乳化安定化され
た、耐水性の良好な水性樹脂組成物に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】最近の環境汚染に対する問題意識の高ま
りから、塗料、接着剤などの分野では、低溶剤化、無溶
剤化が進行している。その中で、水系樹脂は、水を媒体
とするため、環境汚染の問題がなく、引火の危険もない
ため、安全性の点でも優れ、低溶剤化、無溶剤化のため
の手段として有力なものである。一般に、水系樹脂は非
水溶性樹脂を水に分散安定化させるために乳化剤を用い
ている。しかしながら、単純な乳化剤は、塗膜中で表面
や界面などに凝集することで大幅な耐水性の低下を招
き、溶剤型のものと比べると性能が劣る。これを改良す
るために反応基を持った乳化剤を用いたり、構成樹脂自
体に乳化性基を導入したり、様々な改良が行なわれてい
る。しかしながら、エマルジョンの安定性、及び塗膜の
耐水性などの諸性能を兼ね備えた、水性樹脂組成物の製
造はむずかしく、さらなる改良が望まれている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、水性樹脂組
成物に含まれる乳化剤による悪影響である耐水性の低
下、さらに詳しくは、塗膜の耐水性、表面光沢や接着剤
の耐水接着力の低下や密着性、硬化不良などの問題点を
解決することを目的とする。 【０００４】 【発明を解決するための手段】本発明者は上記目的を解
決するために、鋭意検討を重ねた結果、特定の一分子内
にエポキシ基と乳化性基をもつ自己乳化性エポキシ化合
物を乳化剤として用いることにより、エマルジョンの乳
化安定性、水系でのエポキシ基の安定性、及び塗膜にし
た場合の耐水性、密着性などの諸性能を兼ね備えた水性
樹脂組成物が得られることを見出した。 【０００５】本発明の自己乳化性エポキシ化合物は、一
般式（１） 【化１】 （式中Ａは−Ｃ（ＣＨ_３）_２−、−ＣＨ（ＣＨ_３）−、
−ＣＨ_２−、または直接結合を示し、Ｒは−Ｈ、−ＣＨ
_３、−Ｃｌ、または−Ｂｒを示し、ｉは１〜４の整数、
ｊは０〜３の整数を示す。）で表されるエポキシ化合物
と、一般式（２） 【化２】 （式中Ｂは多価アルコール残基を示し、Ｒ^２は炭素数１
〜１０のアルキル基を示し、ｍは０〜１００の整数、ｎ
は１０〜２００の整数、ｘは４〜１２の整数を示す。）
で表される多価アルコール−ポリオキシアルキレン誘導
体との反応で得られる。 【０００６】この反応で得られる化合物は、例えば、一
般式（３） 【化３】で表される化合物などを含むが、多種類の混合物であ
り、成分のすべてを示すことは困難であるので、一例の
み示す。 【０００７】本発明における一般式（１）で表されるエ
ポキシ化合物とは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を
はじめビスフェノールＦ型、ビスフェノールＡＤ型、臭
素化ビスフェノールＡ型、ビフェノール型、テトラメチ
ルビフェノール型のエポキシ樹脂などが含まれる。な
お、エポキシ化合物として、水溶性あるいは親水性のも
のを用いた場合はエポキシ基が水によって分解される速
度が速く、経時的に性能が低下するため、水性樹脂用と
しては好ましくない。 【０００８】本発明における一般式（２）で表される多
価アルコール−ポリオキシアルキレン誘導体とはジグリ
セリン、ポリグリセリン（平均重合度＝１０以下）、ペ
ンタエリスリトール、またはグルコース、シュークロー
ズなどの糖類、またはソルビトール、マンニトールなど
の還元糖類などの４官能以上、１２官能以下の脂肪族多
価アルコールに、エチレンオキシドなどのアルキレンオ
キシドを反応させて得られる化合物を言う。 【０００９】本発明における多価アルコール−ポリオキ
シアルキレン誘導体の出発原料である多価アルコールは
４官能以上、１２官能以下であることが必要であり、４
〜６官能が好ましい。本発明では、後述に説明する理由
により、エポキシ基が水酸基に対し、過剰の系で、しか
もエポキシ基の反応率は５０モル％以上には上げられな
い。即ち、最終的に、水酸基が未反応で残存する反応系
である。４官能以上の多価アルコールを用いた場合は、
全く反応していない分子が残存する確率が低くなる。一
方、２官能以下では、エポキシ化合物との反応の際に、
全く反応していない分子が残存する確率が無視できなく
なる。 【００１０】 【００１１】また、多価アルコールの１分子当たりの官
能基数が多すぎる場合は、エポキシ化合物との反応で高
分子量物が生成しやすくなる。官能基数が１２より多い
場合は、乳化性能を発揮するのに充分な反応率に達する
前にゲル化が起こり、有効な化合物は得られない。官能
基数が７〜１２では一部利用可能なものもあるが、バラ
ンスのとれた性能を得るためには６官能以下が好まし
い。 【００１２】本発明における多価アルコール−ポリオキ
シアルキレン誘導体を合成するときに用いられるアルキ
レンオキシドとしては、エチレンオキシドやプロピレン
オキシドなどがある。 【００１３】本発明の多価アルコール−ポリオキシアル
キレン誘導体におけるエチレンオキシドの付加モル数は
水酸基１個当たり１０モル以上２００モル以下が望まし
い。１０モル未満では、充分な乳化性能を持つ化合物が
得られない。２００モル以上では、その化合物が溶融時
でも高粘稠なものとなるため、取り扱いが非常に困難な
ためである。エチレンオキシド以外のアルキレンオキシ
ドについては、多価アルコールに付加していなくてもよ
いし、改質を目的として付加させてもよいが、その付加
モル数は水酸基１個当たり多くても１００モル以下が望
ましい。 【００１４】本発明における該エポキシ化合物中のエポ
キシ基と該多価アルコール−ポリオキシアルキレン誘導
体中の水酸基の当量比は１：０．０１〜１：０．２５の
範囲である。これ以下では生成物の乳化性能が不充分
で、安定な水性樹脂分散体を得ることができず、またこ
れ以上では構造中の親水性部分のウェートが大きくなり
過ぎるため、耐水性の性能が発揮できない。 【００１５】本発明における該エポキシ化合物と該多価
アルコール−ポリオキシアルキレン誘導体の反応におい
て、エポキシ基基準の反応率は５〜５０モル％であるこ
とが必要である。ここで、エポキシ基基準の反応率と
は、反応時に仕込んだエポキシ基の当量数に対する、反
応で消費されたエポキシ基の当量数の割合を言う。反応
率が５モル％以下では反応生成物の生成量が少なく、乳
化性能が不充分で、安定な水性樹脂分散体を得ることが
できず、また、５０モル％以上では反応生成物がゲル化
または高粘稠化し、取り扱い困難な性状となるからであ
る。 【００１６】本発明における該エポキシ化合物と該多価
アルコール−ポリオキシアルキレン誘導体との反応に
は、様々な方法がある。無溶剤または溶剤存在下、ルイ
ス酸触媒やアルカリ触媒を添加する方法などがあり、特
に限定しないが、目的とする反応率で反応を停止できる
方法が望ましい。反応の停止方法としては反応温度を下
げたり、酸触媒ではアルカリ性物質、アルカリ触媒では
酸性物質の添加により反応を停止し、必要であれば生成
塩の除去、溶剤の除去を行う。 【００１７】本発明の自己乳化性エポキシ化合物が使用
可能な水性樹脂組成物としては、エポキシエマルジョ
ン、アクリルエマルジョン、ウレタンエマルジョン、ア
ミノ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。 【００１８】エポキシエマルジョンとは、例えばビスフ
ェノールＡ型エポキシ樹脂を乳化剤を用いて水に分散さ
せたものなどがある。乳化剤としては従来アルキルフェ
ノール−ポリオキシエチレン誘導体などが用いられてい
るが、その代わりに、本発明の自己乳化性エポキシ化合
物を用いることにより、安定性に優れたエマルジョンが
得られ、かつ耐水性、密着性などの諸性能に優れた硬化
物を得ることができる。 【００１９】アクリルエマルジョンとは、各種アクリル
酸モノマーや他の不飽和結合をもつ化合物を水系で乳化
重合させたものであり、乳化重合の際に乳化剤が使用さ
れる。本発明の自己乳化性エポキシ化合物を用いること
により、安定性に優れ、かつ耐水性などの諸性能に優れ
た塗膜性能が得られる。 【００２０】ウレタンエマルジョンとは、イソシアネー
ト基を含む各種ウレタンプレポリマー化合物が乳化され
たものであり、本発明の自己乳化性エポキシ樹脂を乳化
剤として用いることにより、安定性に優れ、耐水性など
の諸性能に優れた塗膜性能が得られる。 【００２１】アミノ樹脂、フェノール樹脂などでは、耐
水性向上などの改質を目的として、エポキシ樹脂などの
疎水性化合物を添加することが行われる。本発明の自己
乳化性エポキシ化合物をこれらの系に用いた場合は、乳
化安定性だけでなく、相溶化剤としても有効である。 【００２２】本発明の水性樹脂組成物に、基本樹脂のほ
かに溶媒や各種の性能付与を目的とした添加剤を添加す
ることは何らさしつかえない。また、必要に応じて他の
乳化剤との併用することも可能である。 【００２３】 【発明の効果】本発明は、一分子中にエポキシ基と乳化
性基とを持つ自己乳化性エポキシ化合物を用いた水性樹
脂組成物に関するものである。このような水性樹脂組成
物は環境に有害な有機溶剤を全く使わないか、もしくは
大幅に使用量を削減できるため、環境の保全に有益であ
る。また、本発明の水性樹脂組成物は乳化安定性、水系
でのエポキシ基の安定性に優れ、塗料、接着剤、表面処
理剤などに使用した場合、耐水性、密着性、表面光沢な
どの性能に優れたものとなる。 【００２４】 【実施例】以下に本発明の実施例を説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。 【００２５】実施例１ 自己乳化性エポキシ化合物Ａの合成 攪拌装置、還流冷却器、温度計を備えた１ｌの４つ口フ
ラスコにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂であるエピコ
ート８２８、３００ｇ（１．６当量）と、グリセリン−
エチレンオキシド６０モル付加物（平均分子量＝２７０
０、ｎ＝２０）、３００ｇ（０．３３当量）及びトルエ
ン、６００ｇを仕込み、均一溶解させる。この反応にお
けるエピコート８２８中のエポキシ基とグリセリン−エ
チレンオキシド付加物中の水酸基の当量比は１：０．２
１である。温度を５０〜６０℃に保ち、攪拌下に三フッ
化ホウ素エーテル錯塩０．１０ｇを１ｇのトルエンに希
釈したものを添加する。同温度で２時間反応させたの
ち、水酸化ナトリウム１０ｗｔ％水溶液（以下単に１０
％ＮａＯＨと略す）０．１ｇを添加し、反応を停止す
る。ケイソウ土１ｇを添加し、吸引式濾過器にて濾過処
理を行う。得られた濾液よりロータリーエバポレーター
にてトルエンを留去すると、微黄色透明の粘ちよう液が
５９２ｇ得られた。この化合物をＡとする。このものの
エポキシ当量は４６３であり、エポキシ基基準の反応率
は２０モル％である。（以下単に％と略す） 【００２６】エポキシエマルジョンの作成及び性能評価 ２００ｍｌビーカーにエピコート８２８を６０ｇ、自己
乳化性エポキシ化合物Ａを５ｇをとり、均一に混合す
る。内温を８０℃に保ち、ホモミキサーで１５０００ｒ
ｐｍで攪拌しながら水３５ｇを添加し、さらに１０分間
同温度、同回転数にて攪拌後、すみやかに常温まで冷却
し、エポキシエマルジョン組成物を得た。このエポキシ
エマルジョンについて、粒子径の測定、及び乳化安定性
の評価を行った。さらに硬化剤として、吉村油化学
（株）のＨ−３５（変性ポリアミン系エマルジョン型硬
化剤、活性水素当量＝２９０）を配合し、アルミニウム
板（吸水率測定用）及びＳＰＣＣ鋼鈑（塗膜性能評価
用）の上に１００μの厚みに塗布し、２５℃、相対湿度
５０％の雰囲気で２４時間乾燥させ、さらに４０℃のオ
ーブンで２４時間硬化させた。得られた塗膜の性能評価
を行った。 【００２７】評価方法は以下の通りである。 平均粒子径・・・島津製作所（株）製、レーザ回折式粒
度分布測定装置ＳＡＬＤ−２０００にて測定し、メジア
ン径を表示した。 エマルジョンの安定性・・・２５℃、３０日後のエマル
ジョンの外観で判定。 ○・・・水層の分離量が液深に対して５％末満 △・・・水層の分離量が液深に対して５以上２０％未満 ×・・・水層の分離量が液深に対して２０％以上 塗膜性能 外観・・・塗膜の外観を目視にて判定した。 吸水率・・・硬化剤を配合したエポキシエマルジョンを
アルミニウム板（２５×１５０×０．３ｍｍ）に１００
μの厚みに塗布し、上記条件にて硬化させる。このアル
ミニウム板を２５℃のイオン交換水に２４時間浸漬し、
重量増加率より求めた。 碁盤目試験・・・塗膜に１ｍｍ×１ｍｍの碁盤目を１０
０個切り、セロテープ剥離で、その剥離割合を判定し
た。（ＪＩＳＫ−５４００参照） 鉛筆硬度（鉛筆引っかき試験）、半硬化乾燥時間・・・
ＪＩＳ Ｋ５４００に準じて行った。 【００２８】実施例２ 自己乳化性エポキシ化合物Ｂの合成、及び性能評価 実施例１において、グリセリン−エチレンオキシド付加
体（平均分子＝２７００）の代わりにトリメチロールプ
ロパン−エチレンオキシド６０モル付加体（平均分子量
＝２８００、ｎ＝２０）３００ｇを用い、反応４時間後
に１０％ＮａＯＨを添加して反応を停止した以外は同様
に合成し、微黄色ワックス状固体が５９５ｇ得た。この
化合物をＢとする。このもののエポキシ当量は６２０で
あり、エポキシ基基準の反応率は４０％である。このも
のを用いて実施例１と同様にエポキシエマルジョン組成
物を作成し、評価を行った。 【００２９】実施例３ 自己乳化性エポキシ化合物Ｃの合成、及び性能評価 実施例１において、グリセリン−エチレンオキシド付加
体（平均分子＝２７００）の代わりにジグリセリン−エ
チレンオキシド１００モル付加体（平均分子量＝４５０
０、ｎ＝２５）３００ｇを用いる以外は同様に合成し、
微黄色ワックス状の固体を５９４ｇ得た。この化合物を
Ｃとする。このもののエポキシ当量は４５８であり、エ
ポキシ基基準の反応率は１９％である。このものを用い
て実施例１と同様にエポキシエマルジョン組成物を作成
し、評価を行った。 【００３０】比較例１ 自己乳化性エポキシ化合物Ｄの合成、及び性能評価 実施例１において、グリセリン−エチレンオキシド６０
モル付加体（平均分子＝２７００）の代わりにポリエチ
レングリコール＃２０００（平均分子量＝２０００、平
均重合度＝４５）３００ｇを用いる以外は同様に合成
し、微黄色粘稠液体が５９８ｇ得られた。この化合物を
Ｄとする。このもののエポキシ当量は４６４であり、エ
ポキシ基基準の反応率は２０％である。このものを用い
て実施例１と同様にエポキシエマルジョン組成物を作成
し、評価を行った。 【００３１】比較例２ 自己乳化性エポキシ化合物の合成（失敗例） 実施例１において、グリセリン−エチレンオキシド付加
体（平均分子＝２７００）の代わりにポリグリセリン
（平均重合度＝１２、平均官能基数＝１４）−エチレン
オキシド１４０モル付加体（平均分子量＝７１００、ｎ
＝１０）３００ｇを用いる以外は同様に合成しようとし
たが、反応途中でゲル化が起こり、反応容器から反応物
を取り出すことができず、性能評価はできなかった。 【００３２】比較例３ 自己乳化性エポキシ化合物Ｅの合成、及び性能評価実施
例１において、エピコート８２８の仕込み量を２００ｇ
（１．１当量）とし、グリセリン−エチレンオキシド付
加体（平均分子＝２７００）の仕込み量を４００ｇ
（０．４４当量）とする以外は同様に合成し、微黄色透
明の粘稠液体が５９２ｇ得られた。この化合物をＥとす
る。この反応におけるエポキシ基：水酸基の当量比は
１：０．４２である。得られた化合物のエポキシ当量は
６８０であり、エポキシ基基準の反応率は１８％であ
る。このものを用いて実施例１と同様にエポキシエマル
ジョン組成物を作成し、評価を行った。 【００３３】比較例４ 自己乳化性エポキシ化合物Ｆの合成 実施例３において、エピコート８２８の仕込み量を５５
０ｇ（２．９当量）とし、ジグリセリン−エチレンオキ
シド２００モル付加体（平均分子量＝９０００、ｎ＝５
０）を５０ｇ（０．０２２当量）仕込んだ以外は同様に
合成し、微黄色透明の粘稠液体が５９８ｇ得られた。こ
の化合物をＦとする。この反応におけるエポキシ基：水
酸基の当量比は１：０．００８である。得られた化合物
のエポキシ当量は２７３であり、エポキシ基基準の反応
率は２５％である。このものを用いて実施例１と同様に
エポキシエマルジョン組成物を作成し、評価を行った。 【００３４】比較例５ 自己乳化性エポキシ化合物Ｇの合成 実施例１において、グリセリン−エチレンオキシド６０
モル付加体（平均分子＝２７００）の代わりにグリセリ
ン−エチレンオキシド２７モル付加体（平均分子量＝１
２８０、ｎ＝９）３００ｇを用いる以外は同様に合成
し、微黄色粘稠液体が５９４ｇ得られた。この化合物を
Ｇとする。このもののエポキシ当量は４６３であり、エ
ポキシ基基準の反応率は２０％である。このものを用い
て実施例１と同様にエポキシエマルジョン組成物を作成
し、評価を行った。 【００３５】比較例６ 自己乳化性エポキシ化合物Ｈの合成 実施例１において、反応２０分後に１０％ＮａＯＨを添
加して反応を停止した以外は同様に合成し、微黄色透明
の粘稠液体が５９７ｇ得られた。この化合物をＨとす
る。このもののエポキシ当量は３９０であり、エポキシ
基基準の反応率は４％である。このものを用いて実施例
１と同様にエポキシエマルジョン組成物を作成し、評価
を行った。 【００３６】比較例７ 自己乳化性エポキシ樹脂の合成（失敗例） 実施例１において、反応６時間後に１０％ＮａＯＨを添
加して反応を停止しようとしたが、ゲル化が起こり、反
応容器から反応物を取り出すことができず、性能評価は
できなかった。なお、途中経過から反応率を推定すると
エポキシ基基準の反応率は約５６％であった。 【００３７】比較例８ 実施例１において、自己乳化性エポキシ樹脂Ａの代わり
に、ノニオン系の乳化剤であるノニルフェノール−エチ
レンオキシド３０モル付加物を用いて同様にエポキシエ
マルジョン組成物を作成し、評価を行った。 【００３８】実施例及び比較例で得られた評価結果を表
にまとめて示す。 【００３９】 【表１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−57422（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−298910（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−206982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−36124（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−340729（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−195125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−141420（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−22194（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C08G 59/14 C08G 59/24 C08G 59/62 C09D 163/00 - 163/10 C09J 163/00 - 163/10

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】一般式（１） 【化１】 （式中Ａは−Ｃ（ＣＨ_３）_２−、−ＣＨ（ＣＨ_３）−、
   −ＣＨ_２−、または直接結合を示し、Ｒは−Ｈ、−ＣＨ
   _３、−Ｃｌ、または−Ｂｒを示し、ｉは１〜４の整数、
   ｊは０〜３の整数を示す。）で表されるエポキシ化合物
   と、一般式（２） 【化２】 （式中Ｂは多価アルコール残基を示し、Ｒ^２は炭素数１
   〜１０のアルキル基を示し、ｍは０〜１００の整数、ｎ
   は１０〜２００の整数、ｘは４〜１２の整数を示す。）
   で表される多価アルコール−ポリオキシアルキレン誘導
   体との反応生成物であって、一般式（１）と一般式
   （２）に含まれる水酸基との当量比が１：０．０１〜
   １：０．２５であり、かつ仕込んだエポキシ基の当量数
   に対する、反応で消費されたエポキシ基の当量数の割合
   が５〜５０モル％である水性樹脂組成物。