JP3622169B2 - 低遊離モノマー含有で、低オリゴマー含有のイソシアネートプレポリマーからなるホットメルト接着剤 - Google Patents

低遊離モノマー含有で、低オリゴマー含有のイソシアネートプレポリマーからなるホットメルト接着剤 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の技術分野】
本発明はウレタンプレポリマーを含む押し出し可能な水分で硬化するホットメルトウレタン接着剤に関する。
【0002】
【発明の背景】
ホットメルト接着剤および水分で硬化するウレタン接着剤は、周知の一般的な接着剤の部類である。ホットメルト接着剤は一般に、別な製作品を取付けることを望む製作品上に高い温度で接着剤組成物を押し出すことにより簡便に施すことのできる熱可塑性物質を含む。接着剤の接合部は、組成物が冷却するにつれ一体性が増大する。ホットメルト接着剤は一般に、良好な生の強度、つまり接合部が完全に固定化する前の最初の強度を有し、また取扱いが容易でありそして接着剤の固定化または硬化に際して除去しなければならない溶媒を含まないという追加的な利点を有する。しかしながら、ホットメルト接着剤は、冷却して接合線を形成した後、熱可塑性組成物が温度に敏感であるおそれがあるという欠点を有する。換言すると、製作品および接合線の温度が上昇するにつれ接合物質が接合強度を失うおそれがある。さらに、ホットメルト接着剤は、炭化水素溶媒およびいくつかの有機組成物が存在すると物理的に不安定になる傾向をもつ。
【0003】
以上とは対照的に硬化可能な多くのウレタン接着剤は、生の強度がほとんどない。従って硬化可能なウレタン接着剤を施した後、ウレタンが強く、弾力性があり、高度に架橋した接合線へと硬化するまで、接合されるべき構造物は外部から支持されねばならない。さらに、この接着剤中には、硬化に際して蒸発される必要のあるかも知れない溶媒が使用されるであろう。しかしながら、一旦硬化されるとこのウレタンの引張強度は温度に対する敏感性をほとんどあるいは全くもたない。ウレタンは、硬化の後、多くの溶媒に対する良好な抵抗力を与える。
【0004】
硬化特性およびホットメルト特性の双方を示す単一の接着剤組成物が好ましい目標であることは明らかであるが、これは得られる接着剤の場合、理論的に大きな強度を有する生の接合部が迅速に得られまた架橋されて硬化される接着剤接合部が強力であることによる。
米国特許第4,623,709号は、その中の多価アルコールが非対称のジイソシアネートの一層急速に反応するイソシアネート基と先ず反応させられ、緩漫に反応する基はそのままであるポリウレタンプレポリマーを開示しており、この反応の後、反応生成物が対称性のジイソシアネートと一緒にされ、このジイソシアネートの反応性が等しいイソシアネート基はやはり、第1の多官能性イソシアネート化合物の緩漫に反応する基より一層急速に反応する。この方法によって得られる生成物は残留するモノマー含有率が低いことで際立っていると主張されている。
【0005】
米国特許第5,441,808号は熱可塑性のホットメルト接着剤の特性と反応性接着剤の特性とをあわせもちそしてポリエステルポリエーテル熱可塑性エラストマーをポリイソシアネートプレポリマーと配合することにより得られるホットメルト接着剤組成物を開示している。
米国特許第3,931,077号は、特定の高粘度の反応性ウレタンプレポリマー、特定のエチレンビニルアセテート熱可塑性ポリマーおよびフェノール型またはアビエチン酸型の粘着付与性樹脂を含む、反応性で高粘度のホットメルト接着剤組成物を開示している。
【0006】
米国特許第4,585,819号は、イソシアネートプレポリマー、熱可塑性のポリウレタンまたはポリエステルならびに、ケトン樹脂、アセトフェノン縮合樹脂の水素化生成物、およびこれらの混合物であってよい合成樹脂の組み合わせを開示している。
米国特許第4,775,719号は、55wt%またはそれより低いエチレン含有率を有するエチル−ビニルモノマー、ポリイソシアネートプレポリマーおよび芳香族の粘着付与性樹脂を含む、熱安定性のある、水分で硬化するホットメルトポリウレタン接着剤組成物を開示している。
【0007】
米国特許第4,808,255号は、熱可塑性ポリマー、相溶性で硬化性のウレタンポリアルキレンポリオールプレポリマー、および粘着付与剤からなる、熱安定性のある、水分で硬化するウレタンホットメルト接着剤を開示している。
米国特許第4,820,368号は、熱可塑性ポリマー、相溶性で硬化性のウレタンポリエステルポリオールプレポリマーおよび粘着付与剤からなる、熱安定性のある、水分で硬化するウレタンホットメルト接着剤を開示している。
【0008】
【発明の概要】
本発明は低い融解粘度と良好な生の強度を有する、水分で硬化可能な改良されたウレタンホットメルト接着剤組成物を提供する。このような接着剤組成物を使用して接着剤によって二つの基材を結合しまたは密封する方法もまた提供される。この方法は一般に、
(1) (a)Zerewittenoff試験によるとき少なくとも2個の活性水素原子を有する化合物、望ましくはポリオールと(b)ポリイソシアネートとのポリイソシアネートプレポリマー反応生成物からなる、溶媒を含まない、水分で硬化可能なウレタンのホットメルト接着剤組成物を基材に施し、この場合前記接着剤組成物は、これを融解押出しするのに十分な高い温度で施し、
(2) この基材上に置かれた、融解押出しされた接着剤組成物を、未硬化の接合部がつくられるように第2の基材と接触させ、そして
(3) この接着剤の接合部を水分に曝露し、接着剤中での架橋反応を惹起することにより、水分で硬化された接合部を形成する
ことからなる。
【0009】
本発明によると、水分で硬化可能なホットメルト接着剤組成物中で使用されるプレポリマーは、少なくとも2のNCO官能基を有するポリイソシアネートを、Zerewittenoff試験によるとX個の(Xは少なくとも2である)水素原子を有する化合物、望ましくは少なくとも2のOH官能性を有するポリオールと反応されることによりつくられ、このプレポリマーは0.2〜8wt%の範囲の遊離のNCOと、2wt%より少ない未反応のイソシアネートモノマーとを含む。ポリイソシアネートを活性水素含有化合物と反応させることにより得られるプレポリマー反応生成物の少なくとも90wt%、望ましくは95wt%は、このような活性水素含有化合物1モルあたりXモルのポリイソシアネートを有するプレポリマーすなわち「完全な」プレポリマーからなるべきである。好ましい態様においては、3個のOH基を有する長鎖ポリオールとトルエンジイソシアネート(TDI)を反応させることにより得られるプレポリマー反応生成物の少なくとも90wt%、望ましくは95wt%は、長鎖ポリオール1モルあたり3モルのTDIを有する「完全な」プレポリマーからなる。
【0010】
このようなプレポリマーを含む接着剤組成物は、施用温度で低粘度の液体であり、またこの組成物と接触される二つの基材を接着するのに役立つ冷却時に固体となるのが有利である。引続いて、プレポリマーは周囲にある水分と反応して、改善された強度と耐久性とを有する架橋されたポリウレタン−尿素を生成する。先行技術の慣用的なウレタンプレポリマーと比較すると本発明のプレポリマーは施用温度でより低い粘度を示し、この結果、一層良い濡れと基材への接着が得られる。さらに、このより低い粘度のためより低い処理温度で施用具を使用することができ、そのために接着できる基材の数および種類が拡がる。モノマー含有率が著しく低い結果、作業者への曝露の可能性が低下する。プレポリマーの樹脂構造が一層規則的であると結晶化および「生の強度」の発達が一層急速となる。さらに、架橋結合時のオリゴマー/モノマーの含有率がより低いと、慣用の物質より改善された特性を有する一層均一な網状構造が生まれる。
【0011】
【発明の詳述】
本発明の方法で使用される水分で硬化可能なウレタンホットメルト接着剤組成物は、少なくとも2のNCO官能性を有するポリイソシアネートをZerewittenoff試験によるとき少なくとも2個の活性水素を含む化合物と反応させ、好ましくは、4:1またはそれより高い、望ましくは6〜8:1の活性水素に対するNCOの比で反応を実施することによりつくられるNCOを末端とするウレタンプレポリマー(ポリイソシアネートプレポリマーとも称される)を含む。プレポリマー反応生成物中の未反応のポリイソシアネートは2%より低い、望ましくは0.1%より低い濃度まで蒸溜または他の処理によって除去される。プレポリマー反応生成物は遊離のイソシアネート、つまり0.2〜8wt%、望ましくは0.5〜3wt%の遊離のNCO官能基を含むはずである。
【0012】
ホットメルト接着剤組成物で有用なこのようなプレポリマーは米国特許第4,786,703号の教示に従って製造することができ、これの開示は参照によって本記載に加入されている。未反応のイソシアネートモノマーをストリッピングするのに有用な一つの装置は膜払拭蒸発器である。
Zerewittenoff試験に従うとき少なくとも2個の活性水素を含む化合物の例は、2個またはそれより多いOH、NHおよび(または)SH官能基を含む化合物、特にポリオールである。従って好ましい態様において、少なくとも3個のOH官能基を有するポリオールが4:1またはそれより多い、望ましくは6〜8:1のNCOOHの当量比でジイソシアネートと反応させられる。
【0013】
プレポリマー反応生成物は、例えばヘキサメチレンジイソシアネート、フェニレンジイソシアネート、トルエンジイソシアネート(TDI)および4,4′−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)を含めて技術上周知の好適な有機ポリイソシアネートを使用して製造される。特に好適なのは個々の2,4−TDIおよび2,6−TDIあるいは、百分率が約65〜100wt%の2,4−異性体と0〜35wt%の2,6−異性体である商業的に入手できるこれらの混合物である。「粗MDI」として商業的に知られているジイソシアネートの好適な別なイソシアネート混合物はPAPIとしても知られ、他の異性体ポリイソシアネートおよびより高級な類縁体ポリイソシアネートとともに約60%のMDIを含有する。
【0014】
ポリウレタンプレポリマーの製造にはポリエーテルおよびポリエステルポリオールが通常使用される。ヒドロキシルを末端とするポリエーテルは典型的には、ポリ(エチレンエーテル)グリコール、ポリ(プロピレンエーテル)グリコールおよびポリテトラメチレンエーテルグリコールのようなポリアルキレンエーテルグリコールである。別なポリエーテルはエチレンオキサイド、プロピレンオキサイドおよびトリメチレンオキサイドのような環式エーテルを、エチレングリコール、ブタンジオール、例えば1,3−ブタンジオールおよび1,4−ブタンジオールなどのような種々の脂肪族ジオールと共重合させることにより製造される。ポリウレタンプレポリマーを製造するにはポリエステルポリオールも使用でき、またこれにはポリエチレンアジペート、ポリプロピレンアジペート、ポリヘキサメチレンアジペートのようなヒドロキシルを末端とするポリエステル、およびエチレングリコールおよびプロピレングリコールをこのポリエステルと共重合させることによってつくられるコポリエステルが含まれ、後者にはポリ(1,4−ブチレン−エチレン)アジペートおよびポリ(1,4−ブチレン−プロピレン)アジペートが含まれる。
【0015】
上記のポリエーテルおよびポリエステルポリオールはポリウレタンプレポリマーを製造するのに慣用され、またプレポリマーを製造するのに使用されるポリオール組成物(単独のあるいは配合物の)が、約1000〜60,000の範囲のそして典型的には4200〜約25,000の平均Mnを一般に有するように配合されることができる。
ホットメルト接着剤組成物中で使用するのに適した好ましいプレポリマーは副生物の生成を最小化することにより、そしてその結果化学量論的なTDIのポリオールに対する比、つまり3:1であるという点で実質的に「完全」であるプレポリマーを生成するように、トルエンジイソシアネート(TDI)を長鎖トリオールと反応させることにより製造される。
【0016】
好ましいプレポリマーの合成においては、TDIのポリオールに対する当量比を高く、例えば4〜20:1の範囲に維持することが重要である。ポリオールに対するTDIの水準が4:1そしてその後化学量論的比に近くなるにつれ、より多量の分子量のより大きいオリゴマーが生成し、このオリゴマーは水分で硬化可能なウレタンプレポリマー接着剤組成物の性能上の特性とはかけ離れている。10wt%より少ない、望ましくは2wt%より少ないオリゴマーを生成するために、反応におけるTDIとポリオールとの当量比は、ポリオール1当量あたりTDI6〜8当量である。
【0017】
プレポリマーはTDIのポリオールに対する化学量論的当量比つまり2:1の含有率に実質的に等しい、反応されたイソシアネートの含有率を有すべきである。この目的は緩和な温度においてイソシアネートのポリオールに対する当量比を高く維持することにより達せられる。TDIのポリオールに対する当量比が、化学量論比を僅か上まわる比まで、例えば慣用的な10%過剰まで低下されるときにはオリゴマーが生成されるので、供給物のTDIのポリオールに対する当量比を高く保つことは極めて重要である。オリゴマーの生成が多くなると、性能上の特性が低下しまたプレポリマーの粘度はより高くなる。プレポリマー中の反応されるイソシアネートの水準が低くなると、ホットメルト接着性能に関する特性が低下するが、それはこの低い水準のため、硬化された接着剤を生成するためにプレポリマーと反応されることのできる水分の量が減少することによる。
【0018】
本発明で使用するプレポリマーを製造する場合、イソシアネートの実際的な含有率は理想的には、「完全な」プレポリマーに関する化学量論水準、例えばTDIのポリオールに対する当量比2:1の少なくとも90%、望ましくは95%であるべきである。反応されたTDIの水準が化学量論的なものの約95%より低く、特に約90%より低いということは、TDI副生物の生成および(または)オリゴマーの生成を直接証拠だてる。
プレポリマー反応生成物から未反応のTDIを除去する際、遊離のTDIとプレポリマーとの反応を回避できるように温度はできるだけ低く保たれるべきである。この除去段階に際してオリゴマーがかなり生成しまた他の副反応が起きることがある。このため、遊離のTDIを除去するために蒸溜技術を使用する場合、プレポリマーの精製中のオリゴマー化を避けるために、望むなら向流不活性ガス掃気を行う膜払拭式蒸溜技術を考慮にいれるべきである。
【0019】
プロセス効率のためには、反応されたTDIの異性体が商業的な供給物中におけるのと同じ重量比のうちにあることが望ましい。この反応された異性体の水準は、通常存在するものより高い供給物中濃度の2,6−TDIを利用し、そして過剰な部分を反応器に供給物として循環することにより達成されるが、これは2,6−TDI異性体は2,4−TDI異性体より低い反応性を有することによる。2,4−TDIおよび2,6−TDIの反応された度合いは供給物中の各異性体の濃度の関数であるので、反応器への供給物は、反応されたTDIの反応水準を20〜30wt%とするために50〜60%の2,6−TDI含有率を有すべきである。
【0020】
ポリイソシアネートプレポリマーに加えて、ウレタンホットメルト接着剤組成物は、その接着特性に有害な影響を与えない別な熱可塑性成分を望むなら含有してよい。このような熱可塑性成分の代表的な例には、米国特許第5,441,808号に記載の熱可塑性ポリマーならびに、ビニルアセテート−エチレンコポリマー、エチレン−ビニルアセテートおよびビニルアルコールコポリマーのような他の相溶性ビニルコポリマー;エチレンアクリレートコポリマー、エチレンメタクリレート、エチレンブチルアクリレートおよびエチレンヒドロキシエチルアクリレートを含めてのエチレンアクリル化合物;ポリアミド;ポリオレフィン;およびポリエステルがある。熱可塑性成分はビニルポリマー、ビニルアセテート−エチレンコポリマー、またはこれらの混合物からなるのが好ましい。
【0021】
粘着性を改良しそして接着剤に感圧性を付与するために、接着剤組成物中に粘着付与剤を含ませることができる。この接着付与剤はロジンエステル、芳香族樹脂またはこれらの混合物であってよい。本発明で有用なロジンエステルの代表例には、グリセロールロジンエステル、ペンタエリスリトールロジンエステルおよび前記物質の水素化物が含まれる。芳香族樹脂の代表例には、α−メチルスチレン樹脂、ポリスチレン、クモロン、インデン、およびビニルトルエンが含まれる。望ましくは粘着付与剤は芳香族樹脂であり、また一層望ましくはスチレン樹脂である。最も望ましい粘着付与剤はα−メチルスチレン樹脂である。
【0022】
接着剤組成物には、充填材が粒状物質、繊維または粉末の形で含められてよい。これらの充填材は、接着剤組成物中の他の成分と干渉しない任意の充填材材料であってよい。充填材の種類には、炭酸カルシウム、セラミック、ガラス、シリカ、石英、雲母、処理された粘土、二酸化チタン、窒化硼素、グラファイト、カーボンブラック、アスベスト、金属、硫酸バリウム、滑石またはこれらの混合物がある。好ましい充填材には炭酸カルシウム、シリカ、粘土、カーボンブラックまたはこれらの混合物がある。
本発明の接着剤組成物には可塑化剤もまた含められてよい。可塑化剤は、別な成分の効能に干渉せずまた接着剤組成物の処理を容易にしそしてこれの靭性と可撓性とを増大する任意の組成物であってよい。代表的な可塑化剤には、ジオクチルフタレートエステルを含めての液状芳香族エステル可塑化剤;ジシクロヘキシルフタレート、シクロヘキサンジメンタノールジベンゾエートを含めての固体可塑化剤;およびMonsantoからSANTICIZERの商標で入手できる可塑化剤がある。
【0023】
上記に示した随意的な成分に加えて、他の種々の化合物が接着剤組成物に加えられてよい。これらの化合物には触媒、染料、禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、ワックス、接着促進剤(例えばシラン)、および他の慣用の添加剤が含まれる。
イソシアネートプレポリマーは接着剤組成物の約5〜100wt%存在する。このプレポリマーは約25〜100wt%存在するのが好ましく、また約50〜100wt%存在するのが最も好ましい。
接着剤組成物の熱可塑性ポリマー部分は接着剤組成物の0〜約80wt%、望ましくは0〜50wt%存在する。
粘着付与剤は約0〜60wt%、望ましくは約0〜40wt%使用される。
ある種の応用のためには、組成物中にシランが含められてよく、約0〜約2wt%、望ましくは約0〜約1wt%存在してよい。さらに約0〜約50wt%の充填材、約0〜10wt%の可塑化剤、約0〜40wt%のワックスおよび約0〜1wt%の触媒が存在してよい。
【0024】
本発明の接着剤組成物を製造するには多くの方法がある。これらの多くは技術上熟達する者にとって明らかであろう。このような変種の一つは、プレポリマーが、接着剤組成物を製造するのとは別個にあるいはそれと同時に製造されてよいということである。
接着剤または密封剤として使用するために、固体組成物はドラムまたはペール中にいれられてよく、また接着剤を送出するためにプラテン型ディスペンサーを使用できる。接着剤組成物は、接着剤を基材上に融解押し出しするのに少なくとも十分である温度例えば約50°〜約150℃において押し出される。接着剤を水分で硬化するのに先立って、接着剤は第2の基材と接触させる。接着剤は、それが水分で硬化する際に外部からの機械的支持が必要でないように、十分な生の強度を示す。本発明の接着剤とともに使用するのに適した基材にはガラス、金属、ポリカーボネート、アクリル、ABS、PVC、ビニル、木材などがある。
【0025】
反応性のホットメルトウレタン接着剤組成物は、周囲にある水分例えば大気中の水分または基材中特に木材中の水分の存在に頼ることによって、接合線となって硬化される。接合線を硬化する別な方法には、プレポリマーのNCO基と反応するために利用可能な活性水素原子を有する活性化合物を接合線にある接着剤に添加することが関与する。遊離の活性水素を有する様々な反応性化合物は、亜硫酸水素、ポリオール、アミン、アンモニアおよび他の活性化合物を含めて、技術上知られている。
【0026】
【実施例】
実施例1
ポリイソシアネートプレポリマーは、ヒドロキシル官能基がすべて使い果たされるまで、官能性が3.0であるトリメチロールプロパンで変性されたエチレンアジペート(OH数=14)1当量を8当量の2,4/2,6−TDI(重量比50/50%)と50℃で反応させることによりつくられる。未反応のTDIモノマーを0.1wt%またはそれより低い水準まで除去しそして遊離イソシアネートの全含有率が約1%であるプレポリマー樹脂を生成するために、膜払拭蒸発のような第2の処理工程が使用される。
【0027】
80℃に加熱される時、得られる物質は良好な融解流動を示し、ゲルが存在せずそして種々の基材上での濡れが良好である。このウレタンプレポリマーを用いてつくられる接合された組立物は良好な生の強度と標準的な接着性試験により測定される場合高度の仕上がり特性とを示すであろう。
ヒドロキシル基1当量あたり3当量またはそれより低いイソシアネート基の割合でつくられる対応する慣用の物質は粘稠すぎるかあるいは均質でない(ゲルの生成のため)であろうし、またホットメルト接着剤として処理され得ないであろう。この物質もまた2wt%を越える水準でモノマージイソシアネートを含有するであろう。
【0028】
〔産業上の応用に関する説明〕
本発明は水分で硬化可能なホットメルト接着剤組成物を使用して二つの基材を接合する方法を提供する。

Claims (8)

  1. (1)(a)X個のOH基(Xは2または3である)を含有するポリエーテルまたはポリエステルポリオールと、(b)2個のNCO官能基を有するポリイソシアネートとのポリイソシアネートプレポリマー反応生成物からなる、溶媒を含まない、水分で硬化可能なウレタンのホットメルト接着剤組成物を50〜150℃で基材に施し、
    (2)この基材上に置かれた、融解押出しされた接着剤を、未硬化の接合部がつくられるように第二の基材と接触させ、そして
    (3)この接着剤の接合部を水分に曝露し、接着剤中で架橋反応を惹起することにより、水分で硬化された接合部を形成させる二つの基材を接着剤で結合する方法において、
    ポリイソシアネートプレポリマー反応生成物が、X:1のポリイソシアネート対ポリオールの化学量論量を有するプレポリマーの少なくとも90wt%から本質的になり、このプレポリマー反応生成物が2wt%より少ない未反応のポリイソシアネートモノマーを含み、そしてこのプレポリマーが0.2〜8wt%の範囲の遊離NCOを含むことを特徴とする上記の方法。
  2. プレポリマー反応生成物が、X:1(ここでXは2または3である)のポリイソシアネート対ポリオールの化学量論量を有するプレポリマーの少なくとも95wt%から本質的になる請求項1記載の方法。
  3. プレポリマー反応生成物が0.1wt%より少ない未反応のポリイソシアネートモノマーを含む請求項1記載の方法。
  4. プレポリマーが0.5〜3wt%の範囲の遊離のNCOを含む請求項3記載の方法。
  5. ポリイソシアネートがトルエンジイソシアネートである請求項1記載の方法。
  6. ポリイソシアネートとポリオールとを≧4のNCO対OH当量比で反応させる請求項1記載の方法。
  7. 第1の基材に施されるホットメルト接着剤組成物がポリイソシアネートプレポリマー5〜100wt%、熱可塑性ポリマー0〜80wt%、粘着付与剤0〜60wt%、シラン0〜2wt%、充填剤0〜50wt%、可塑剤0〜10wt%およびワックス0〜40wt%を包含している請求項1記載の方法。
  8. (1)(a)X個のOH基(Xは2または3である)を含有するポリエーテルまたはポリエステルポリオールと、(b)ジイソシアネートとのポリイソシアネートプレポリマー反応生成物からなる、溶媒を含まない、水分で硬化可能なウレタンホットメルト接着剤組成物を50〜150℃で基材に施し、
    (2)この基材上に置かれた、融解押出しされた接着剤を、未硬化の接合部がつくられるように第二の基材と接触させ、そして
    (3)この接着剤の接合部を水分に曝露し、接着剤中で架橋反応を惹起することにより、水分で硬化された接合部を形成させる二つの基材を接着剤で結合する方法において、
    ポリイソシアネートプレポリマー反応生成物が、X:1のポリイソシアネート対ポリオールの化学量論量を有し、そして6〜20:1のNCO対OH当量比でジイソシアネートとポリオールとを反応させて製造したプレポリマーの少なくとも90wt%から本質的になり、このプレポリマー反応生成物が未反応のジイソシアネートモノマー2wt%未満を含み、そしてこのプレポリマーが0.2〜8wt%の範囲の遊離NCOを含むことを特徴とする上記の方法。
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