JP3932015B2 - ホットメルト接着剤組成物 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、ホットメルト接着剤組成物、特に、湿気反応性(moisturereactive)ホットメルト接着剤組成物、該接着剤組成物の形成方法、接着剤組成物を用いた構造部材といった基体の接着方法に関する。さらに特に本発明は、ポリイソシアネート、非晶質のポリオール、および接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10%の特定のスチレン/アリルアルコール共重合体を混ぜることで形成されたホットメルト接着剤組成物に関する。
【0002】
ホットメルト接着剤は、その速固化(quick setting)のために、および他のタイプの接着剤に流動性を付与する水性または溶媒メディア(media)が必要ないために好ましいということは公知である。イソシアネート基を含むウレタンプレポリマーをベースとしている湿気反応性ホットメルト接着剤は、容易な取り扱いおよび施用のために、比較的低い溶融粘度をもたらすようにデザインされることができ;湿気との反応は接着剤の最終特性を増加させる。しかしながら、「グリーン強度(green strength)」として知られる湿気との反応の完了の前の接着強さは形成された積層品に必要な初期の取り扱いには不向きであるかもしれない。そのような場合、ウレタンプレポリマー中に、例えば、ヘキサンジオールアジペート、ポリカプロラクトンおよびポリテトラメチルエチレングリコールといった結晶質のポリエステルまたはポリエーテルを組み入れることによって、基体に適用した後、冷却している間に結晶化することができ、それによってグリーン強度を増加させる、低い粘度のホットメルト接着剤の使用が開示されている。しかし、多くの結晶質のポリエステルおよびポリエーテルは、高価であり、および/または経時的に加水分解攻撃(hydrolytic attack)を受けやすい。
【0003】
米国特許第4999407号は、少なくとも2つの非晶質のポリウレタンプレポリマーの混合物であり、好ましくは、第1のポリウレタンプレポリマーが室温より高いTgを有し、第2のポリウレタンプレポリマーが室温より低いTgを有する、速固化ホットメルトポリウレタン組成物を開示している。
【0004】
本発明者が直面した問題は、ポリウレタンプレポリマーを含み、結晶質のポリエステルまたはポリエーテル先駆物質の反応した残留物を含まず、基体の効果的な接着を提供する、湿気反応性ホットメルト接着剤組成物の提供である。驚いたことに、本発明者は、接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の特定のスチレン/アリルアルコール付加共重合体を、非晶質のポリエステルまたはポリエーテルを含み結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まないポリウレタンプレポリマー形成(prepolymer−forming)反応混合物に組み入れることが、所望のバランスの特性をもたらすことを見いだした。
【0005】
本発明の第1の態様に従って、
ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることで形成される湿気反応性ホットメルト接着剤組成物であり、該成分の当量基準のイソシアネート基/ヒドロキシル基(「NCO/OH基」)の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤組成物が提供される。
【0006】
本発明の第2の態様に従って、
ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることによる湿気反応性ホットメルト接着剤の形成方法であって、該成分の当量基準のNCO/OH基の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤の形成方法が提供される。
【0007】
本発明の第3の態様に従って、
ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることで形成される湿気反応性ホットメルト接着剤であり、該成分の当量基準のNCO/OH基の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤組成物を形成すること;
該接着剤を50℃から160℃の温度に加熱すること;
湿気の存在下、該加熱されたホットメルト接着剤を第1の基体に適用すること;
該適用された加熱されたホットメルト接着剤を第2の基体と接触させること;および
該接着剤を冷却することまたは冷却させること
による基体の接着方法が提供される。
【0008】
本発明の組成物は、湿気反応性ホットメルト接着剤組成物である。本明細書において「湿気反応性」とは、組成物が、接着剤組成物が水と反応することができるイソシアネート基を含むことをいい、望ましくは、分子量を増加し、および/または接着剤組成物を架橋しその後水と接触する接着剤の強度特性を増加させる。本明細書において「ホットメルト」とは、固体、半固体、粘性の素材であることができ、基体に適用および接着するのに適した粘度の流体接着剤を提供するために都合よく加熱されることができる接着剤を意味する。
【0009】
本発明の湿気反応性ホットメルト接着剤組成物は、ポリイソシアネート、すなわち、少なくとも2つのイソシアネート基を有するイソシアネートを含む成分を混ぜることで形成される。用いられることができるポリイソシアネートとしては、芳香族、脂肪族、脂環式ポリイソシアネートおよびそれらの組み合わせが挙げられ、例えば、m−フェニレンジイソシアネート、2,4−トルエンジイソシアネート、2,6−トルエンジイソシアネート、ヘキサメ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、1,4−シクロヘキサンジイソシアネート、ヘキサヒドロトルエンジイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネート、1−メトキシ−2,4−フェニレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4−ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4’−ビフェニレンジイソシアネート、3,3’−ジメトキシ−4,4’−ビフェニルジイソシアネート、3,3’−ジメチル−4,4’−ビフェニルジイソシアネート、3,3’−ジメチル−4,4’−ビフェニルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’,4’’−トリフェニルメタントリイソシアネート、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート、2,4,6−トルエントリイソシアネート、および4,4’−ジメチル−ジフェニルメタンテトライソシアネート、またはMnが2000より小さく、少なくとも2つのイソシアネート基を有するプレポリマーが挙げられる。4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートと2,4−ジフェニルメタンジイソシアネートの混合物が好ましい。
【0010】
本発明の湿気反応性ホットメルト接着剤組成物は、2つ以上のヒドロキシル基を有し、周囲条件下で結晶化しないポリオールを意味する非晶質のポリオールを含む成分を混ぜることで形成される。非晶質のポリエステルおよび非晶質のポリエーテル、エステルおよびエーテル結合の両方を有するポリエステル/ポリエーテル、ならびにそれらの混合物といった非晶質のポリオールを用いることができる。非晶質のポリオールは、好ましくは250から8000、より好ましくは250から3000の、ゲル透過クロマトグラフィーで測定した重量平均分子量(「Mw」)を有し、好ましくは5より低い酸価、より好ましくは2より低い酸価を有する。非晶質のポリエステルポリオールは、無水フタル酸とジエチレングリコールから形成されるような芳香族が好ましい。非晶質のポリエーテルポリオールは、アルキレンオキシドと多価アルコールの反応によって調製されることができる。
【0011】
本発明の湿気反応性ホットメルト接着剤組成物は、ポリオールの重量を基準にして0.1から10%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール付加共重合体を含む成分を混ぜることで形成される。そのような共重合体は、Lyondell Chemical、Houston、Texasから商業的に入手することができ、例えば、モルベースで70スチレン/30アリルアルコールであると開示されているSAA−100、およびモルベースで80スチレン/20アリルアルコールであると開示されているSAA−103が挙げられる。本明細書では「スチレン/アリルアルコール付加共重合体」は、少なくとも90重量%のスチレンおよびアリルアルコールの共重合された残基を含むが、他の共重合されたモノマーを共重合体の重量を基準にして10重量%より少ない範囲までは排除しない共重合体を意味する。メカニズムによって拘束されるものではないが、スチレン/アリルアルコール共重合体は、周囲温度で結晶質の特性を有しており、湿気と接着剤の反応の前に有効なレベルのグリーン強度を提供するよう、接着剤組成物に組み入れられる接着剤組成物から十分な性能を引き出すことができると信じられている。従って、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000を有し、ならびに周囲温度で結晶質の特性を示す他の共重合体組成物も、本発明の湿気反応性ホットメルト接着剤組成物および基体の接着方法で有用であることが期待される。
【0012】
過剰のイソシアネート基を接着剤組成物に供給するために、すべての混ぜられた成分からの当量基準のNCO/OH基の比は、1.05から2.5、好ましくは1.1から2.0である。成分は、結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まない。成分は、水を含まないか、成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水、好ましくは0より多く0.2重量%より少ない水を含む。
【0013】
成分は、好ましくは不活性の乾燥した雰囲気下で、公知の手段で混合され、好ましくは50℃から120℃の温度で、好ましくは水酸基価が25より小さくなるために十分な時間、より好ましくは水酸基価が5より小さくなるために十分な時間混合される。スチレン/アリルアルコール付加共重合体を、好ましくは、ポリイソシアネートとの反応の前に、少なくとも1つのイソシアネート非含有成分(non−isocyanate containing component)と、加熱し混合することで安定化する。任意に、例えば、第三アミンまたはスズベースの(tin−based)触媒といった触媒を、混ぜられる成分の全重量を基準にして0.3重量%より少ない量で、接着剤組成物形成のための反応の前、間、または後のいずれかで成分と混ぜることができる。本発明の接着剤組成物は、NCO−官能性接着剤であり、使用するまで、好ましくは不活性で乾燥した雰囲気下で、保管される。
【0014】
ホットメルト接着剤組成物は、望ましく維持されるNCO−官能基の反応性に当然払われるべき考慮をして、充填剤、顔料、粘着付与剤、可塑剤、レオロジー改質剤、熱可塑性のアクリル樹脂等といったさらなる公知の成分を混ぜることで配合されることができる。
【0015】
本発明の基体の接着方法において、例えばポンプ移送または重力供給によって接着剤を適用装置に輸送するのに適した、および湿気の存在下、第1の基体に接着剤を適用するのに適した粘度にするために湿気反応性ホットメルト接着剤を50−160℃の温度、好ましくは100℃から150℃の温度に加熱する。接着剤の適用は、例えば、加熱されたスプレー(spray)アプリケーター、加熱されたビード(bead)アプリケーター、加熱されたノズル、および加熱されたロールコーターといった公知の手段により行われ、所望により、接着剤の連続または不連続のフィルムを形成することができる。接着剤は、典型的には、3.7から18.6kg/平方メートル(4−20g/平方フィート)の量で適用されることができるが、基体の1つが生地である場合には、1−40g/平方メートルの量で適用されることができる。NCO−官能基との反応をもたらし、それによって適用された接着剤の極限凝集強さ(ultimate cohesive strength)を増加させることが企図される湿気、すなわち、水は、例えば、適用された接着剤と接触する、周囲湿度、人工的に増加されたまたは制御されたしめり気を与えられた空気、水滴の霧(mist)、または、液体の水の霧(spray)によるものであることができる。湿気が、例えばアミンといった、他のNCO−官能基反応性成分によって増強されることがさらに企図される。
【0016】
その後、適用された接着剤は、第2の基体と接触し、積層構造を提供する。そのようにして形成された積層構造は、任意に、接着剤との基体の接触を増加させるためにローラーの間を通過させるといった加圧力にさらし、その後積層構造を冷却するかまたは冷却させる。別の態様において、接着剤は、第1の基体の両表面に同時にまたは連続的に適用されることができ、その後、接着剤は、同じか異なっていることができる2つのさらなる基体に同時にまたは連続的に接着される。積層構造は、本明細書に記載されているプロセスの前または後に、同じか異なっている接着剤を用いて他の基体にその後接着されることができることがさらに企図される。本発明方法で接着される第1および第2の基体は、同じか異なっていることができ、例えば、金属、木材、強化木材製品(consolidated wood product)、紙、織布および不織布、ならびにプラスチックが挙げられ、それらは平滑面または構造面(structured surface)を有することができ、ロール、シート、フィルム、ホイル等の形態で供給される。例えば、ラワンマホガニー合板(lauan mahogany plywood)、含浸紙、押出ポリスチレンフォーム、発砲ポリスチレンフォーム、ガラス繊維強化ポリエステル、ポリエステル生地(polyester fabric)、高または低圧積層品、合板、アルミニウム、スチール、PVC、およびエンジニアリングプラスチックが挙げられる。
【0017】
以下の例は、本発明を例示するために示され、結果は試験手順によって得られた。
略語
MDI=ジフェニルメタンジイソシアネート
DEG−PA=ジエチレングリコール−無水フタル酸
PPG=ポリプロピレングリコール
FRP=ガラス繊維強化ポリエステル
【0018】
実施例1 本発明のホットメルト接着剤組成物の調製
1リットルの反応容器に、気体送込管、温度計、攪拌器および加熱ジャケットを装備した。12gの70スチレン/30アリルアルコール(モル比)共重合体(Mn=1500;水酸基価=210)(Lyondell ChemicalsSAA−100)、151.8gのPPG(Mw=1000)(BASF Corp.、Mt.Olive、NJ)、および54gのヒマシ油(Caschem、Bayonne、NJ)を反応容器に加え、温度を攪拌しながら110℃まで上げた。110℃および水銀28インチの減圧で30分後、温度を80℃まで下げた。136.2gの4,4−MDIおよび2,4−MDIの50/50混合物(BASF Corp.、Mt.Olive、NJ)を加え、水銀28インチ下、攪拌しながら、温度を1時間80−100℃に保った。246gのDEG−PAポリエステル(Mw=2000)(Stepan Chemical、Northfield、IL)を加え、水銀28インチの減圧下、攪拌しながら、反応温度をさらに1時間80−100℃に保った。この時点で、反応生成物は熱い容器(vessel hot)から容器へ注がれ、その後、乾燥した窒素でガスシールされ、密閉された。
生成物は以下の特性を有する:
フリーのイソシアネート% 2.36%
120℃での粘度 8300cps
色 不透明でわずかにこはく色
Mn(GPCによる)=8150
生成物の硬化したフリーフィルム(free film)は以下の特性を有する:(50%相対湿度、21.1℃(70°F)で7日後)
1583psiの引張強さ
599%の伸び率
219psiのモジュラス
【0019】
実施例2 本発明のホットメルト接着剤組成物の調製
ホットメルト接着剤は、以下に示す物質を用いて実施例1のプロセスに従って調製された。
13.0g スチレン/アリルアルコール共重合体(Lyondell Chemicals SAA−100)
130.0g PPG(Mw=1000)
19.5g ヒマシ油
136.5g 4,4−および2,4−MDIの50/50のブレンド
351.0g DEG−PAポリエステル(Mw=2000)
【0020】
実施例3 ホットメルト接着剤の調製
ホットメルト接着剤は、非反応性(non−reactive)熱可塑性スチレン/α−メチルスチレン樹脂強化樹脂をともなって、以下に示す物質を用いて実施例1のプロセスに従って調製された。樹脂を初期投入物質とともに加え、実施例1のように加熱攪拌している溶液にした。
10g スチレン/アリルアルコール共重合体(Lyondell Chemicals SAA−100)
100g PPG(Mw=1000)
15g ヒマシ油
105g 4,4−および2,4−MDIの50/50のブレンド
270g DEG−PAポリエステル(Mw=2000)
30g スチレン/α−メチルスチレン樹脂
【0021】
実施例4 ホットメルト接着剤の調製
ホットメルト接着剤は、異なったスチレン/アリルアルコール共重合体を用い、以下に示す物質を用いて実施例3の方法に従って調製された。
10g (モルベースで80スチレン/20アリルアルコール)共重合体(Mn=3200;水酸基価=125)(Lyondell Chemical SAA−103)
101.5g PPG(Mw=1000)
15g ヒマシ油
103.5g 4,4−および2,4−MDIの50/50のブレンド
270g DEG−PAポリエステル(Mw=2000)
30g スチレン/α−メチルスチレン樹脂
【0022】
実施例5 ホットメルト接着剤の調製
ホットメルト接着剤は、初期投入で加えられる追加のヒドロキシルポリマーの添加をともなって実施例3のプロセスに従って調製された。
10g スチレン/アリルアルコール共重合体(Lyondell Chemical SAA−103)
91.5g PPG(Mw=1000)
15g ヒマシ油
10g ヒドロキシ基を末端にもつポリブタジエン(Mw=2700)
103.5g 4,4−および2,4−MDIの50/50のブレンド
270g DEG−PAポリエステル(Mw=2000)
30g スチレン/α−メチルスチレン樹脂
【0023】
実施例6 ホットメルト接着剤の調製
ホットメルト接着剤は、より分子量の高いポリプロピレングリコールを用いて実施例2のプロセスに従って調製された。
12g スチレン/アリルアルコール共重合体(Lyondell Chemicals SAA−100)
114g ポリプロピレングリコール(Mw=2000)
18g ヒマシ油
114g 4,4−および2,4−MDIの50/50のブレンド
342g DEG−PAポリエステル(Mw=2000)
【0024】
実施例7 ホットメルト接着剤を用いた基体の接着
上部および下部の1組のロール付きの1.22メートル(4フィート)幅のホットメルトロールコーターを126.7℃(260°F)に予熱した。ドクターロールとアプリケーターロールの間のギャップを調節することで被覆の厚さを調節するために、ドクターロールを使った。接着剤のウエル(well)を形成するために、ばね押しの端シール(end seal)を、ドクターおよびアプリケターロールの両方の端と接触させた。この1組のロールを、その後、被覆される基体と接触するために下げた。下部のアプリケーターロールは、基体の底と接触した。力がロールに供給された際に、ロールは、第1の基体を通り抜けさせ、それを被覆した。第2の基体は、接着剤の上に手で置かれ、積層品を、接着剤を第2の基体と完全な接着をさせる回転式プレスに突き通した。積層品を、湿気硬化のために置いた。(積層品が動かされた際の、復元、そり、ひねりによる)基体の浮きまたは引き離れを観察することでグリーン強度を試験した。
【0025】
実施例1のホットメルト接着剤は、一連の第1の基体に、接着剤が15g/平方フィートの量で適用される表面模様付きの(textured)アルミニウムを除いては、11.5−12g/平方フィートで適用され、その後、積層品を形成するために上記のように第2の基体と接触させられた。積層品の3インチのストリップ(strip)を、21.1℃(70°F)、50%相対湿度で24または48時間後に、手ではがした。
【0026】
データーは、表7.1に示す。
【表1】
Figure 0003932015
本発明の実施例1の接着剤組成物を用いて本発明の方法で、2つの基体を接着することは、様々な基体に対してうまくはたらいた。
【0027】
実施例8 ホットメルト接着剤を用いた基体の接着
実施例1の接着剤組成物を用いて実施例7の方法に従って、FRPおよびラワンを接着した。21.1℃(70°F)、50%相対湿度で7日間置いた後の引張剪断および貫層引張(flatwise tensile)を以下の表8.1および8.2に示す。
【0028】
【表2】
Figure 0003932015
【0029】
【表3】
Figure 0003932015

Claims (3)

  1. ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることで形成される湿気反応性ホットメルト接着剤組成物であり、該成分の当量基準のNCO/OH基の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤組成物。
  2. ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることを含む湿気反応性ホットメルト接着剤の形成方法であって、該成分の当量基準のNCO/OH基の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルまたはポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤の形成方法。
  3. ポリイソシアネート、非晶質のポリオールおよび接着剤組成物の重量を基準にして0.1から10重量%の、水酸基価が100−300およびMnが1000−4000であるスチレン/アリルアルコール共重合体を含む成分を混ぜることで形成される湿気反応性ホットメルト接着剤であり、該成分の当量基準のNCO/OH基の比は1.05から2.5であり、該成分は結晶質のポリエステルおよびポリエーテルを含まず、該成分は、水を含まないか、または該成分の全重量を基準にして、0より多く1重量%より少ない水を含む、接着剤組成物を形成すること;
    該接着剤を50℃から160℃の温度に加熱すること;
    湿気の存在下、該加熱されたホットメルト接着剤を第1の基体に適用すること;
    該適用された加熱されたホットメルト接着剤を第2の基体と接触させること;および
    該接着剤を冷却することまたは冷却させること
    を含む基体の接着方法。
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