JP4099726B2 - Water-based coating composition, organic-inorganic composite coating film and method for producing the same - Google Patents

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本発明は、有機成分と無機成分とを含有する水性塗料組成物、及びこれを用いて得られる有機無機複合塗膜とその製造方法に関する。   The present invention relates to an aqueous coating composition containing an organic component and an inorganic component, an organic-inorganic composite coating film obtained using the same, and a method for producing the same.

コーティング材料、成形材料などの分野では、柔軟性・成形加工性などの取扱い性と、硬さ・耐熱性・耐候性等の耐用性とを同時に実現する必要性が高まっている。このような、通常では同時に達成しにくい諸特性を同時に発揮し得る材料として、有機ポリマーと無機ポリマーとの有機無機複合体が知られている。この有機無機複合体は、有機ポリマーの特徴である柔軟性や成形加工性等と、無機ポリマーの特徴である硬さ、耐熱性、耐候性等とを同時に発揮し得ると考えられており、従来、有機ポリマーを無機ポリマーであるシリコーン樹脂により変性したシリコーン変性樹脂について種々の検討がなされてきた。ところが、このようなシリコーン変性樹脂は、シリコーンの含有率を高めることが困難であり、このため、耐熱性や硬度といったシリコーンによる特性を十分に発揮させうるものではなく、また、利用可能なシリコーン樹脂の種類に制約があり、価格も高いものであった。   In the fields of coating materials and molding materials, there is an increasing need to simultaneously realize handling properties such as flexibility and molding processability and durability such as hardness, heat resistance, and weather resistance. An organic-inorganic composite of an organic polymer and an inorganic polymer is known as a material that can simultaneously exhibit various properties that are usually difficult to achieve at the same time. This organic-inorganic composite is considered to be capable of simultaneously exhibiting the flexibility, moldability, etc., which are characteristics of organic polymers, and the hardness, heat resistance, weather resistance, etc., which are characteristics of inorganic polymers. Various studies have been made on silicone-modified resins obtained by modifying an organic polymer with a silicone resin that is an inorganic polymer. However, it is difficult for such silicone-modified resins to increase the content of silicone. For this reason, silicone-based properties such as heat resistance and hardness cannot be fully exhibited, and usable silicone resins There were restrictions on the type of the product, and the price was high.

そこで、上述のようなシリコーン変性樹脂に代わるものとして、アルコキシシランの加水分解縮合反応によるゾル−ゲル法を利用する方法がある。具体的には、有機ポリマーの存在下でアルコキシシランの加水分解と重縮合とを同時に進行させ、これにより有機ポリマーと無機ポリマーとを複合化する方法である。   Therefore, as an alternative to the silicone-modified resin as described above, there is a method utilizing a sol-gel method based on hydrolysis condensation reaction of alkoxysilane. Specifically, it is a method in which hydrolysis and polycondensation of alkoxysilane proceed simultaneously in the presence of an organic polymer, thereby compounding the organic polymer and the inorganic polymer.

このような方法としては、例えば、ポリウレタンと加水分解性アルコキシシランとを含有するアルコールゾル溶液を基材に塗布し、乾燥することによって、有機無機複合塗膜を得る方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。これは、塗装後、乾燥する際に、空気中の水分等によって該アルコキシシランがシリカ微粒子となりながら、粒子表面のシラノール基とポリウレタンとが水素結合やエステル結合を形成することによって複合化することによるものであり、ポリウレタンのマトリクス中にシリカ微粒子が均一に分散した塗膜が得られる。しかしこの方法では、有機溶媒であるアルコールを使用していることから、環境への負荷が大きいといった問題点があり、また空気中の水分を利用する点から、使用環境(温度・湿度)によって得られる複合体(塗膜)の性能にブレが生じる可能性があり、実用上問題がある。   As such a method, for example, a method of obtaining an organic-inorganic composite coating film by applying an alcohol sol solution containing polyurethane and hydrolyzable alkoxysilane to a substrate and drying it has been proposed (for example, , See Patent Document 1). This is because when the coating is dried after drying, the alkoxysilane becomes silica fine particles due to moisture in the air and the like, and the silanol groups on the particle surface and polyurethane are combined to form hydrogen bonds or ester bonds. A coating film in which silica fine particles are uniformly dispersed in a polyurethane matrix is obtained. However, this method uses alcohol, which is an organic solvent, so there is a problem that the load on the environment is large, and because it uses moisture in the air, it can be obtained depending on the usage environment (temperature and humidity). There is a possibility that blurring may occur in the performance of the composite (coating film) to be produced, and there is a problem in practical use.

また、水酸基及び/又はアミノ基を有するポリウレタンと加水分解性アルコキシシランとを含有する組成物を用いることにより、ポリウレタンの有する柔軟性を保持した耐熱性に優れる有機無機複合体である塗膜が得られることが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。これは、ポリウレタン中のハードセグメントドメインにシリカを複合させることによって、ソフトセグメントが有する柔軟性を損なわないで塗膜全体としての耐熱性を向上させようとしたものであるが、その構造上、均一塗膜でないことが明らかであり、シリカ成分を多く含有させると相分離が発生しやすく、耐摩耗性に優れた複合体(塗膜)を得ることはできなかった。   In addition, by using a composition containing a polyurethane having a hydroxyl group and / or an amino group and a hydrolyzable alkoxysilane, a coating film which is an organic-inorganic composite having excellent heat resistance and retaining the flexibility of polyurethane is obtained. (For example, refer to Patent Document 2). This is intended to improve the heat resistance of the coating film as a whole without compromising the flexibility of the soft segment by combining silica with the hard segment domain in the polyurethane. It was clear that it was not a coating film, and when a large amount of silica component was contained, phase separation was likely to occur, and a composite (coating film) excellent in wear resistance could not be obtained.

更に、水酸基を有する有機化合物の水混和物とポリアルコキシシランと触媒とを含む組成物を用いることによって、透明均一で硬質かつ耐水性を有する有機無機複合塗膜を得ることができることも報告されている(例えば、特許文献3参照)。しかし、該組成物は保存中にもポリアルコキシシランの加水分解と縮合反応が進行し続けるために保存安定性が悪く、また、得られる塗膜は鉛筆硬度(2H〜6H程度)を満たすレベルでの硬さでしかなく、有機無機複合塗膜として要求される耐摩耗性に値する塗膜ではない。更に、アミノプラスト樹脂等の硬化剤を併用しなければ、90℃1時間の耐熱水性試験において白化が起こりやすいことが示されているが、該硬化剤を用いることによって塗料用組成物の保存安定性は更に悪くなる。即ち、塗料用組成物として、保存安定性と得られる塗膜の十分な性能とを兼備するものでなく、更なる改良が求められている。   Further, it has been reported that a transparent, uniform, hard and water-resistant organic-inorganic composite coating can be obtained by using a composition containing a water admixture of an organic compound having a hydroxyl group, a polyalkoxysilane, and a catalyst. (For example, see Patent Document 3). However, the composition has poor storage stability because the hydrolysis and condensation reaction of the polyalkoxysilane continues to proceed during storage, and the resulting coating film has a level that satisfies the pencil hardness (about 2H to 6H). It is not a coating film worthy of the abrasion resistance required as an organic-inorganic composite coating film. Furthermore, it has been shown that when a curing agent such as aminoplast resin is not used in combination, whitening is likely to occur in a hot water test at 90 ° C. for 1 hour, but the storage stability of the coating composition can be improved by using the curing agent. Sex is even worse. That is, the coating composition does not have both storage stability and sufficient performance of the resulting coating film, and further improvements are required.

特開平6−136321号公報JP-A-6-136321 特開2001−64346号公報JP 2001-64346 A 特開平8−319457号公報JP-A-8-319457

上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、耐水性、透明性、及び耐磨耗性などの諸物性を高いレベルで同時に備える有機無機複合塗膜とその製造方法、及びそれを与えることができる保存安定性が良好な水性塗料組成物を提供することにある。   In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide an organic-inorganic composite coating film having various physical properties such as water resistance, transparency, and abrasion resistance at a high level at the same time, and a method for producing the same. An object of the present invention is to provide an aqueous coating composition having good storage stability.

上記の課題を解決するために、本発明者らは、鋭意検討を行ったところ、特定構造を有するカチオン性ポリウレタン樹脂の存在下で、金属アルコキシドのゾル−ゲル反応を行うことによって、ナノスケールで有機成分と無機成分との複合化を達成することができ、且つ該複合体からなる塗膜は上記性能を有することを見出し、本発明を完成した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies, and in the presence of a cationic polyurethane resin having a specific structure, by performing a sol-gel reaction of a metal alkoxide on a nanoscale. It has been found that a composite of an organic component and an inorganic component can be achieved, and a coating film made of the composite has the above performance, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は、下記一般式[I]   That is, the present invention relates to the following general formula [I]

Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体と、金属アルコキシド又はその縮合物(B)と、酸触媒(C)とを含有することを特徴とする水性塗料組成物を提供するものである。
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An aqueous coating composition comprising an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) containing a structural unit represented by formula (I), a metal alkoxide or a condensate thereof (B), and an acid catalyst (C). Is to provide.

更に、本発明は、金属酸化物からなるマトリクス中に、下記一般式[I]   Furthermore, the present invention provides the following general formula [I] in a matrix comprising a metal oxide.

Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂の粒子が分散していることを特徴とする有機無機複合塗膜、及び簡便な方法で該有機無機複合塗膜を製造する方法を提供するものである。
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An organic-inorganic composite coating film characterized in that particles of a cationic polyurethane resin containing a structural unit represented by formula (1) are dispersed, and a method for producing the organic-inorganic composite coating film by a simple method. is there.

本発明によれば、保存安定性が良好な有機成分と無機成分とを含有する水性塗料組成物を提供することができる。該水性塗料組成物を用いて得られる塗膜は、高い耐磨耗性、耐水性と透明性とをバランス良く有する有機無機複合塗膜であって、その製造方法も簡便である。該塗膜は、自動車用、建材用、木工用、プラスチックハードコート用等の各種の用途に用いることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the aqueous coating composition containing the organic component and inorganic component with favorable storage stability can be provided. The coating film obtained using the water-based coating composition is an organic-inorganic composite coating film having a high balance of high abrasion resistance, water resistance and transparency, and its production method is simple. The coating film can be used for various applications such as automobiles, building materials, woodworking, and plastic hard coats.

本発明の水性塗料組成物は、下記一般式[I]   The water-based coating composition of the present invention has the following general formula [I]

Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体と、金属アルコキシド又はその縮合物(B)と、酸触媒(C)とを含有することを特徴とする。
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) containing a structural unit represented by formula (A), a metal alkoxide or a condensate (B) thereof, and an acid catalyst (C)

自然界での珪藻類、スポンジ類生き物(いわゆる、バイオシリカ)の多くは、シリカと有機物質との複合膜で自分たちの細胞を保護していることが最近の研究から知られている。特に、バイオシリカの複合膜では、シリカがカチオン性ポリマーまたはカチオン性タンパク質と複合されることにより、その膜の機能が発現されることが示唆された(W.E.G.Muller Ed.,Silicon Biomineralizattion:Biology−Biotechnology−Molecular Biology−Biotechnology,2003,Springer)。カチオン性ポリマー又はカチオン性タンパク質の働きについて未だに完全解明されてないが、基本的に、シリカ縮合化における触媒効果、シリカゾル形成とゾル融合における空間次元の誘導(即ち、一定形状のハイブリッド膜を形成すること)、ナノレベルハイブリッド構造形成におけるポリマーとシリカとの接着効果などを有すると考えられている。   Recent studies have shown that many diatom and sponge creatures in nature (so-called biosilica) protect their cells with a composite membrane of silica and organic matter. In particular, in the composite membrane of biosilica, it was suggested that the function of the membrane is expressed by combining silica with a cationic polymer or a cationic protein (WEGG Muller Ed., Silicon). Biomineralization: Biology-Biotechnology-Molecular Biology-Biotechnology, 2003, Springer). Although the function of the cationic polymer or the cationic protein has not been fully elucidated yet, basically, the catalytic effect in the silica condensation, the induction of the spatial dimension in the silica sol formation and sol fusion (that is, to form a hybrid membrane with a fixed shape) It is considered to have an adhesive effect between a polymer and silica in forming a nano-level hybrid structure.

有機無機複合塗膜創製において、バイオシリカの仕組みを理解した上での設計思想は極めて重要であると考えられる。特に、バイオシリカに複合される多くのカチオン性タンパク質は、親水表面を持っていても、実は水中不溶である特徴を有する。本発明者らは、この点に着目し、それをカチオン性の表面を持つ樹脂粒子と同類化することを考案した。即ち、本発明では、カチオン性ポリマーとして特定の構造を有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体を用いることにより、該カチオン性ポリウレタン樹脂の存在下で金属アルコキシド又はその縮合物(B)の酸触媒(C)によるゾル−ゲル反応を行うことで、有機成分であるカチオン性ポリウレタン樹脂からなる微粒子と、無機成分である金属アルコキシド又はその縮合物から得られる金属酸化物のマトリックスとを、高度に複合化させ得ることを見出したことに基づくものである。   In creating organic-inorganic composite coatings, the design concept based on an understanding of the mechanism of biosilica is considered to be extremely important. In particular, many cationic proteins complexed with biosilica have the characteristic of being insoluble in water even if they have a hydrophilic surface. The present inventors paid attention to this point, and devised to associate it with resin particles having a cationic surface. That is, in the present invention, by using an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) having a specific structure as the cationic polymer, the metal alkoxide or its condensate (B) is present in the presence of the cationic polyurethane resin. By performing a sol-gel reaction with an acid catalyst (C), a fine particle composed of a cationic polyurethane resin as an organic component and a metal oxide matrix obtained from a metal alkoxide or a condensate thereof as an inorganic component, This is based on the finding that it can be combined.

本発明の水性塗料組成物において、金属アルコキシド又はその縮合物(B)の初期加水分解は酸触媒(C)によって促進されるが、その後の縮合反応は前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)により抑制され、系全体は、金属ゾル表面のヒドロキシ基と、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)水性分散体の樹脂微粒子表面のカチオンとのイオン的な相互作用に支配される。その結果、ゾルの成長は一定の大きさで止まり、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)水性分散体の微粒子表面にアニオンゾルが濃縮され、安定性が良好な水性分散液を得ることができる。この水性分散液を塗装することにより、金属酸化物を連続相とするゲル化膜が形成され、その連続相中に、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる樹脂微粒子が凝集されずに粒子一個一個が均一に分散し複合化された、ナノオーダーの繰り返し構造を有する塗膜を得ることができる。このようにして得られた塗膜では、有機成分と無機成分の複合効果が最大限に発現され、耐摩耗性・耐水性などの塗膜物性が大きく向上する。このような構造およびその構造由来の効果は、アニオン性樹脂水性分散体やノニオン性樹脂水性分散体を用いることでは得られないものである。   In the aqueous coating composition of the present invention, the initial hydrolysis of the metal alkoxide or its condensate (B) is promoted by the acid catalyst (C), but the subsequent condensation reaction is suppressed by the cationic polyurethane resin (A). The entire system is governed by ionic interactions between the hydroxy groups on the surface of the metal sol and the cations on the surface of the resin fine particles of the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A). As a result, the growth of the sol stops at a certain size, the anion sol is concentrated on the surface of the fine particles of the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A), and an aqueous dispersion having good stability can be obtained. By coating this aqueous dispersion, a gelled film having a metal oxide as a continuous phase is formed. In the continuous phase, the resin fine particles made of the cationic polyurethane resin (A) are not aggregated one by one. It is possible to obtain a coating film having a nano-order repeating structure in which is uniformly dispersed and compounded. In the coating film thus obtained, the combined effect of the organic component and the inorganic component is maximized, and the physical properties of the coating film such as wear resistance and water resistance are greatly improved. Such a structure and the effect derived from the structure cannot be obtained by using an aqueous anionic resin dispersion or an aqueous nonionic resin dispersion.

以下、本発明で用いる材料について詳述する。
[カチオン性ポリウレタン樹脂(A)]
本発明のカチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、前記一般式[I]で表される構造単位を有し、水性媒体中で安定に分散した水性分散体を形成するものである。前記水性媒体としては、水を主成分とする均一溶媒系であれば特に限定はされない。このような溶媒系としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノールといったアルコール系の水溶性有機溶媒と水とを混和させた溶媒系や、テトラヒドロフラン、ブチルセロソルブといったエーテル系の水溶性有機溶媒と水とを混和させた溶媒系が挙げられる。この中で最も好適な水性媒体としては、イソプロパノール/水の混合溶媒系である。また、このような水溶性の有機溶媒を添加する量としては、水性塗料組成物全体中に含まれる水の量に対して、50質量%以下にすることが好ましい。
Hereinafter, materials used in the present invention will be described in detail.
[Cationic polyurethane resin (A)]
The cationic polyurethane resin (A) of the present invention has a structural unit represented by the above general formula [I] and forms an aqueous dispersion stably dispersed in an aqueous medium. The aqueous medium is not particularly limited as long as it is a homogeneous solvent system mainly containing water. Examples of such solvent systems include a solvent system in which an alcohol-based water-soluble organic solvent such as methanol, ethanol, isopropanol, and butanol is mixed with water, and an ether-based water-soluble organic solvent such as tetrahydrofuran and butyl cellosolve in water. And the solvent system used. The most preferred aqueous medium is an isopropanol / water mixed solvent system. The amount of such a water-soluble organic solvent added is preferably 50% by mass or less with respect to the amount of water contained in the entire aqueous coating composition.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は水性媒体中で分散するものであり、その分散した樹脂粒子の平均粒子径としては、得られる複合塗膜の耐磨耗性と透明性を兼備する点から、0.005μm〜1μmであることが好ましく、より好ましくは0.01〜0.4μmである。   The cationic polyurethane resin (A) is dispersed in an aqueous medium, and the average particle diameter of the dispersed resin particles is from the point of having both wear resistance and transparency of the resulting composite coating film. It is preferable that it is 0.005 micrometer-1 micrometer, More preferably, it is 0.01-0.4 micrometer.

前記一般式[I]中のカチオン性の官能基の含有量としては、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)が水性媒体中で溶解することがなく、安定な分散体を形成できる範囲であれば、特に限定されるものではない。従って、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の分子量・分岐度等の前記一般式[I]以外の構造等によって、好ましいカチオン性官能基の含有量が異なるものであるが、通常、該カチオン性ポリウレタン樹脂(A)固形分中に、カチオン当量として0.01〜1当量/kg含有していれば水性分散体とすることができ、特にカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性媒体中への分散性と得られる塗膜の耐水性とのバランスに優れる点から、0.02〜0.8当量/kg含有していることが好ましく、0.03〜0.6当量/kg含有していることが特に好ましい。   The content of the cationic functional group in the general formula [I] is not particularly limited as long as the cationic polyurethane resin (A) can be formed in a stable dispersion without being dissolved in an aqueous medium. It is not limited. Accordingly, the cationic polyurethane resin (A) has a preferable cationic functional group content depending on the structure other than the general formula [I] such as molecular weight and branching degree. (A) If it contains 0.01-1 equivalent / kg as a cation equivalent in solid content, it can be set as an aqueous dispersion, and especially the dispersibility to the aqueous medium of cationic polyurethane resin (A) and From the point which is excellent in the balance with the water resistance of the coating film obtained, it is preferable to contain 0.02-0.8 equivalent / kg, and it is especially preferable to contain 0.03-0.6 equivalent / kg. preferable.

カチオン性ポリウレタン樹脂(A)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算値で求められる数平均分子量(Mn)としては、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)が水性媒体中で溶解せずに安定な分散体を形成できる範囲であれば特に限定されるものではなく、通常1,000〜5,000,000の範囲であり、好ましくは、5,000〜1,000,000の範囲である。   As the number average molecular weight (Mn) calculated by polystyrene conversion by gel permeation chromatography (GPC) of the cationic polyurethane resin (A), the cationic polyurethane resin (A) is stable without being dissolved in an aqueous medium. It is not particularly limited as long as the dispersion can be formed, and is usually in the range of 1,000 to 5,000,000, and preferably in the range of 5,000 to 1,000,000.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、種々の化合物を使用して製造することができるが、工業的に入手容易でかつ安価な原料を用いる製造方法としては、下記一般式[IV]で示される1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)とを反応させて得られる3級アミノ基含有ポリオール(a)を、後述するポリイソシアネート(g)と反応させる方法が最も有用である。   The cationic polyurethane resin (A) can be produced by using various compounds, and a production method using an industrially easily available and inexpensive raw material is represented by the following general formula [IV]. A tertiary amino group-containing polyol (a) obtained by reacting a compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule with a secondary amine (a-2) is a polyisocyanate (g) described later. The method of reacting with is most useful.

Figure 0004099726
(式[IV]中、Rは、脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖である。)
Figure 0004099726
(In the formula [IV], R 1 is an alkylene chain that may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain.)

前記3級アミノ基含有ポリオール(a)は、ポリウレタン樹脂に水分散性を付与するための3級アミノ基の中和塩や4級アミノ基なるカチオン性基を、ポリウレタン樹脂骨格の側鎖に導入するために用いる化合物である。   The tertiary amino group-containing polyol (a) introduces a neutral salt of a tertiary amino group for imparting water dispersibility to the polyurethane resin or a cationic group such as a quaternary amino group into the side chain of the polyurethane resin skeleton. It is a compound used for

前記3級アミノ基含有ポリオール(a)は、その分子内に含有する3級アミノ基を、酸による中和、あるいは4級化剤による4級化によってカチオン性基を発生させるための前駆体である。   The tertiary amino group-containing polyol (a) is a precursor for generating a cationic group by neutralizing the tertiary amino group contained in the molecule with an acid or quaternizing with a quaternizing agent. is there.

前記3級アミノ基含有ポリオール(a)は、例えば、1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)とを、エポキシ基1当量に対してNH基1当量となるように配合し、無触媒で、常温下又は加熱下で開環付加反応させることにより容易に得られる。   The tertiary amino group-containing polyol (a) includes, for example, a compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule and a secondary amine (a-2), which is NH with respect to 1 equivalent of epoxy group. It can be easily obtained by blending so as to be 1 equivalent of a group and performing a ring-opening addition reaction at room temperature or under heating without using a catalyst.

前記一般式[IV]で示される1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)としては、下記の化合物を、単独で、あるいは2種以上を併用して使用することができる。   As the compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule represented by the general formula [IV], the following compounds may be used alone or in combination of two or more.

前記Rが、脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖であるものを得る場合の原料としては、例えばエタンジオール−1,2−ジグリシジルエーテル、プロパンジオール−1,2−ジグリシジルエーテル、プロパンジオール−1,3−ジグリシジルエーテル、ブタンジオール−1,4−ジグリシジルエーテル、ペンタンジオール−1,5−ジグリシジルエーテル、3−メチル−ペンタンジオール−1,5−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、ヘキサンジオール−1,6−ジグリシジルエーテル、ポリブタジエングリコール−ジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジオール−1,4−ジグリシジルエーテル、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)−プロパン(水素添加ビスフェノールA)のジグリシジルエーテル、水素添加ジヒドロキシジフェニルメタンの異性体混合物(水素添加ビスフェノールF)のジグリシジルエーテル等を使用することができる。 Examples of the raw material for obtaining an alkylene chain that may contain an aliphatic cyclic structure as R 1 include ethanediol-1,2-diglycidyl ether, propanediol-1,2-diglycidyl, and the like. Ether, propanediol-1,3-diglycidyl ether, butanediol-1,4-diglycidyl ether, pentanediol-1,5-diglycidyl ether, 3-methyl-pentanediol-1,5-diglycidyl ether, Neopentyl glycol-diglycidyl ether, hexanediol-1,6-diglycidyl ether, polybutadiene glycol-diglycidyl ether, cyclohexanediol-1,4-diglycidyl ether, 2,2-bis (4-hydroxycyclohexyl) -propane (Hydrogenated bisphenol And diglycidyl ether of hydrogenated dihydroxydiphenylmethane (hydrogenated bisphenol F).

また、Rが2価フェノール類の残基であるものを得る場合の原料としては、例えばレゾルシノール−ジグリシジルエーテル、ハイドロキノン−ジグリシジルエーテル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−プロパン(ビスフェノールA)のジグリシジルエーテル、ジヒドロキシジフェニルメタンの異性体混合物(ビスフェノールF)のジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシ−3−3’−ジメチルジフェニルプロパンのジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルシクロヘキサンのジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルのジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジベンゾフェノンのジグリシジルエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1−エタンのジグリシジルエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1−イソブタンのジグリシジルエーテル、ビス(4−ヒドロキシ−3−tertブチルフェニル)−2,2−プロパンのジグリシジルエーテル、ビス(2−ヒドロキシナフチル)メタンのジグリシジルエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン(ビスフェノールS)のジグリシジルエーテル等を使用することができる。 In addition, as raw materials for obtaining those in which R 1 is a residue of a dihydric phenol, for example, resorcinol-diglycidyl ether, hydroquinone-diglycidyl ether, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -propane ( Diglycidyl ether of bisphenol A), isomer mixture of dihydroxydiphenylmethane (bisphenol F), diglycidyl ether of 4,4′-dihydroxy-3-3′-dimethyldiphenylpropane, 4,4′-dihydroxydiphenyl Diglycidyl ether of cyclohexane, diglycidyl ether of 4,4′-dihydroxydiphenyl, diglycidyl ether of 4,4′-dihydroxydibenzophenone, diglycidyl ether of bis (4-hydroxyphenyl) -1,1-ethane, Of diglycidyl ether of bis (4-hydroxyphenyl) -1,1-isobutane, diglycidyl ether of bis (4-hydroxy-3-tertbutylphenyl) -2,2-propane, bis (2-hydroxynaphthyl) methane Diglycidyl ether, diglycidyl ether of bis (4-hydroxyphenyl) sulfone (bisphenol S), and the like can be used.

また、Rがポリオキシアルキレン鎖であるものを得る場合の原料としては、例えばジエチレングリコール−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、更にオキシアルキレンの繰り返し単位数が3〜60のポリオキシアルキレングリコール−ジグリシジルエーテル、例えば、ポリオキシエチレングリコール−ジグリシジルエーテル及びポリオキシプロピレングリコール−ジグリシジルエーテル、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体のジグリシジルエーテル、ポリオキシテトラエチレングリコール−ジグリシジルエーテル等を使用することができる。 Examples of the raw material for obtaining R 1 having a polyoxyalkylene chain include diethylene glycol-diglycidyl ether, dipropylene glycol-diglycidyl ether, and polyoxyalkylene having 3 to 60 repeating oxyalkylene units. Glycol-diglycidyl ether, for example, polyoxyethylene glycol-diglycidyl ether and polyoxypropylene glycol-diglycidyl ether, diglycidyl ether of ethylene oxide-propylene oxide copolymer, polyoxytetraethylene glycol-diglycidyl ether, etc. Can be used.

これらの中でも、カチオン性ポリウレタン樹脂の水分散性をより向上させることができることから、上記一般式[IV]のRが、ポリオキシアルキレン鎖となるポリオキシアルキレングリコールのジグリシジルエーテル、特に、ポリオキシエチレングリコール−ジグリシジルエーテル、及び/又はポリオキシプロピレングリコール−ジグリシジルエーテル、及び/又はエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体のジグリシジルエーテルを用いることが好適である。 Among these, since the water dispersibility of the cationic polyurethane resin can be further improved, the diglycidyl ether of polyoxyalkylene glycol in which R 1 of the general formula [IV] is a polyoxyalkylene chain, It is preferable to use oxyethylene glycol-diglycidyl ether and / or polyoxypropylene glycol-diglycidyl ether and / or diglycidyl ether of ethylene oxide-propylene oxide copolymer.

前記一般式[IV]のRがポリオキシアルキレン鎖となるポリオキシアルキレングリコールのジグリシジルエーテルを用いる場合の該化合物のエポキシ当量としては、本発明で用いるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)水性分散体の種々の機械的特性や熱特性等の物性への影響を最小限に抑制し、カチオン性ポリウレタン樹脂水性分散体中のカチオン濃度の設計を広範囲に行える点で、好ましくは1000g/当量以下、より好ましくは500g/当量以下、特に好ましくは300g/当量以下である。 As the epoxy equivalent of the polyoxyalkylene glycol diglycidyl ether in which R 1 of the general formula [IV] is a polyoxyalkylene chain, the cationic polyurethane resin (A) aqueous dispersion used in the present invention is used. In view of minimizing the influence on physical properties such as various mechanical properties and thermal properties of the above, and designing the cation concentration in the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin over a wide range, preferably 1000 g / equivalent or less. The amount is preferably 500 g / equivalent or less, particularly preferably 300 g / equivalent or less.

前述の方法において、1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)との開環付加反応により3級アミノ基含有ポリオール(a)を製造するには、2級アミン(a−2)が必要である。   In the above-described method, a secondary amine (a-2) is used to produce a tertiary amino group-containing polyol (a) by a ring-opening addition reaction with a compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule. )is required.

前記2級アミン(a−2)としては、種々の化合物を使用できるが、反応制御の容易さの点で、分岐状又は直鎖状の脂肪族2級アミンが好ましい。   Although various compounds can be used as the secondary amine (a-2), a branched or linear aliphatic secondary amine is preferable from the viewpoint of easy reaction control.

前記2級アミン(a−2)として使用することができるものとしては、例えば、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジイソプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミン、ジ−tert−ブチルアミン、ジ−sec−ブチルアミン、ジ−n−ペンチルアミン、ジ−n−ペプチルアミン、ジ−n−オクチルアミン、ジイソオクチルアミン、ジノニルアミン、ジイソノニルアミン、ジ−n−デシルアミン、ジ−n−ウンデシルアミン、ジ−n−ドデシルアミン、ジ−n−ペンタデシルアミン、ジ−n−オクタデシルアミン、ジ−n−ノナデシルアミン、ジ−n−エイコシルアミンなどが挙げられる。   Examples of the secondary amine (a-2) that can be used include dimethylamine, diethylamine, di-n-propylamine, diisopropylamine, di-n-butylamine, di-tert-butylamine, di- sec-butylamine, di-n-pentylamine, di-n-peptylamine, di-n-octylamine, diisooctylamine, dinonylamine, diisononylamine, di-n-decylamine, di-n-undecylamine, di- Examples include n-dodecylamine, di-n-pentadecylamine, di-n-octadecylamine, di-n-nonadecylamine, di-n-eicosylamine.

これらの中で、3級アミノ基含有ポリオール(a)を製造する際に揮発し難いこと、あるいは、含有する3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、又は4級化剤で4級化する際に立体障害を軽減できること、などの理由から、炭素数2〜18の範囲の脂肪族2級アミンが好ましく、炭素数3〜8の範囲の脂肪族2級アミンがより好ましい。   Among these, it is difficult to volatilize when producing the tertiary amino group-containing polyol (a), or a part or all of the contained tertiary amino groups are neutralized with an acid, or 4 with a quaternizing agent. For reasons such as the ability to reduce steric hindrance when classifying, an aliphatic secondary amine having 2 to 18 carbon atoms is preferred, and an aliphatic secondary amine having 3 to 8 carbon atoms is more preferred.

3級アミノ基含有ポリオール(a)が有する3級アミノ基の一部又は全てを、酸で中和、又は4級化剤で4級化することにより、3級アミノ基含有ポリオール(a)とポリイソシアネート(g)とを反応させて得られるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)に水分散性を付与することができる。   A tertiary amino group-containing polyol (a) is obtained by neutralizing part or all of the tertiary amino group of the tertiary amino group-containing polyol (a) with an acid or quaternizing with a quaternizing agent. Water dispersibility can be imparted to the cationic polyurethane resin (A) obtained by reacting with the polyisocyanate (g).

上記の3級アミノ基の一部又は全てを中和する際に使用することができる酸としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、コハク酸、グルタル酸、酪酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、マロン酸、アジピン酸などの有機酸類や、スルホン酸、パラトルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等の有機スルホン酸類、及び、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、硼酸、亜リン酸、フッ酸等の無機酸等を使用することができる。これらの酸は単独使用してもよく2種以上を組み合わせて使用してもよい。   Examples of the acid that can be used for neutralizing part or all of the tertiary amino group include formic acid, acetic acid, propionic acid, succinic acid, glutaric acid, butyric acid, lactic acid, malic acid, and citric acid. , Organic acids such as tartaric acid, malonic acid, adipic acid, organic sulfonic acids such as sulfonic acid, paratoluenesulfonic acid, methanesulfonic acid, and hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, boric acid, phosphorous acid, hydrofluoric acid Inorganic acids such as can be used. These acids may be used alone or in combination of two or more.

また、前記3級アミノ基の一部又は全てを4級化する際に使用することができる4級化剤としては、例えば、ジメチル硫酸、ジエチル硫酸等のジアルキル硫酸類や、メチルクロライド、エチルクロライド、ベンジルクロライド、メチルブロマイド、エチルブロマイド、ベンジルブロマイド、メチルヨーダイド、エチルヨーダイド、ベンジルヨーダイドなどのハロゲン化アルキル類、メタンスルホン酸メチル、パラトルエンスルホン酸メチル等のアルキル又はアリールスルホン酸メチル類、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド、スチレンオキサイド、エピクロルヒドリン、アリルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル等のエポキシ類などを使用することができる。これらは単独使用でもよく2種以上を併用してもよい。   Examples of the quaternizing agent that can be used for quaternizing a part or all of the tertiary amino group include dialkyl sulfates such as dimethyl sulfate and diethyl sulfate, methyl chloride, and ethyl chloride. Alkyl halides such as benzyl chloride, methyl bromide, ethyl bromide, benzyl bromide, methyl iodide, ethyl iodide, benzyl iodide, and alkyl or aryl sulfonates such as methyl methanesulfonate and methyl paratoluenesulfonate Epoxy such as ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, styrene oxide, epichlorohydrin, allyl glycidyl ether, butyl glycidyl ether, 2-ethylhexyl glycidyl ether, and phenyl glycidyl ether It is possible to use kind and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

本発明において、3級アミノ基の中和又は4級化に使用する酸や4級化剤の量は、特に制限はないが、本発明で用いるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の優れた分散安定性を発現させるために、3級アミノ基1当量に対して、0.1〜3当量の範囲であることがこのましく、0.3〜2.0当量の範囲であることがより好ましい。   In the present invention, the amount of the acid or quaternizing agent used for neutralization or quaternization of the tertiary amino group is not particularly limited, but excellent dispersion stability of the cationic polyurethane resin (A) used in the present invention. In order to express the properties, it is preferably in the range of 0.1 to 3 equivalents and more preferably in the range of 0.3 to 2.0 equivalents with respect to 1 equivalent of the tertiary amino group.

本発明で用いるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)が、従来の手法により得られるカチオン性ポリウレタン樹脂と、樹脂中に存在するカチオン濃度を同一にして比較した場合、より優れた自己水分散性を有し、得られるカチオン性ポリウレタン樹脂は水性媒体への良好な分散安定性を有する。   When the cationic polyurethane resin (A) used in the present invention is compared with the cationic polyurethane resin obtained by the conventional method with the same cation concentration present in the resin, it has better self-water dispersibility. The resulting cationic polyurethane resin has good dispersion stability in an aqueous medium.

この様な効果を発現できる機構としては、ポリウレタン樹脂中のウレタン結合同士は、水素結合などにより擬結晶構造をとることは周知であり、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の側鎖に存在する3級アミノ基の中和塩、又は4級アミノ基は、例えば従来の手法のような3級アミノ基の中和塩、又は4級アミノ基がポリウレタン樹脂骨格の主鎖に存在する場合と比較して、立体障害の影響を受け難く、自由度が大きいため、水分散に重要な水分子との会合構造を容易に取れるためと推測される。   As a mechanism capable of exhibiting such an effect, it is well known that urethane bonds in a polyurethane resin have a pseudo-crystal structure due to hydrogen bonds or the like, and a tertiary that exists in the side chain of the cationic polyurethane resin (A). The neutralized salt of the amino group or the quaternary amino group is, for example, compared with the case where the neutralized salt of the tertiary amino group or the quaternary amino group is present in the main chain of the polyurethane resin skeleton as in the conventional technique. It is presumed that it is difficult to be affected by steric hindrance and has a high degree of freedom, so that it can easily form an association structure with water molecules important for water dispersion.

3級アミノ基含有ポリオール(a)を得るための、1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)との反応方法について以下に説明する。
前記1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)が有するエポキシ基と2級アミン(a−2)が有するNH基との反応比率[NH基/エポキシ基]は、好ましくは当量比で0.5/1〜1.1/1の範囲であり、より好ましくは当量比で0.9/1〜1/1の範囲である。
A reaction method of the compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule and the secondary amine (a-2) for obtaining the tertiary amino group-containing polyol (a) will be described below.
The reaction ratio [NH group / epoxy group] of the epoxy group of the compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule and the NH group of the secondary amine (a-2) is preferably equivalent. The ratio is in the range of 0.5 / 1 to 1.1 / 1, more preferably the equivalent ratio is in the range of 0.9 / 1 to 1/1.

これらの反応は無溶剤条件下にて行うこともできるが、反応制御を容易にする目的で、あるいは粘度低下による撹拌負荷の低減や均一に反応させる目的で、有機溶剤を使用し行うこともできる。   These reactions can be carried out under solvent-free conditions, but can also be carried out using an organic solvent for the purpose of facilitating the reaction control, or for the purpose of reducing the stirring load due to a decrease in viscosity or causing a uniform reaction. .

前記有機溶剤としては、反応を阻害しない有機溶剤であればよく、例えばケトン類、エーテル類、酢酸エステル類、炭化水素類、塩素化炭化水素類、アミド類及びニトリル類などを使用することができる。   The organic solvent may be any organic solvent that does not inhibit the reaction. For example, ketones, ethers, acetate esters, hydrocarbons, chlorinated hydrocarbons, amides, and nitriles can be used. .

前記ケトン類としては、例えばアセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等を使用することができる。エーテル類としては、例えばジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等を使用することができる。   As said ketones, acetone, diethyl ketone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone etc. can be used, for example. Examples of ethers that can be used include diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, tetrahydrofuran, and dioxane.

前記酢酸エステル類としては、例えば酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル等が例示できる。炭化水素類としては、n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等を使用することができる。塩素化炭化水素類としては、例えば四塩化炭素、ジクロロメタン、クロロホルム、トリクロロエタン等を使用することができる。アミド類としては、例えばジメチルホルムアミド、ニトリル類としては、例えばN−メチルピロリドン、アセトニトリル等を使用することができる。   Examples of the acetates include ethyl acetate, butyl acetate, propyl acetate and the like. As hydrocarbons, n-pentane, n-hexane, cyclohexane, n-heptane, benzene, toluene, xylene and the like can be used. As chlorinated hydrocarbons, for example, carbon tetrachloride, dichloromethane, chloroform, trichloroethane and the like can be used. Examples of amides that can be used include dimethylformamide, and examples of nitriles include N-methylpyrrolidone and acetonitrile.

前記した有機溶剤のうち、低沸点を有する有機溶剤を使用する場合は、揮発による飛散を防止するために、密閉系により加圧反応をすることが好ましい。   Among the organic solvents described above, when an organic solvent having a low boiling point is used, it is preferable to perform a pressure reaction in a closed system in order to prevent scattering due to volatilization.

1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)とは、反応容器中に一括供給し反応させてもよく、また、1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)の何れか一方を反応容器に仕込み、他方を滴下することにより反応させてもよい。   The compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule and the secondary amine (a-2) may be supplied together in a reaction vessel and reacted, and an epoxy group is contained in one molecule. Either one of the two compounds (a-1) and the secondary amine (a-2) may be charged into a reaction vessel and the other may be dropped.

1分子中にエポキシ基を2個有する化合物(a−1)と2級アミン(a−2)との反応は、反応性が高いため通常は触媒を必要としない。しかし、2級アミン(a−2)の窒素原子が有する脂肪族などの置換基が大きく、前記化合物(a−1)との反応が、立体障害により遅くなる場合には、フェノール、酢酸、水、アルコール類などに代表されるプロトン供与性物質を触媒として使用してもよい。   Since the reaction between the compound (a-1) having two epoxy groups in one molecule and the secondary amine (a-2) is highly reactive, it usually does not require a catalyst. However, when the substituent of the nitrogen atom of the secondary amine (a-2) is large and the reaction with the compound (a-1) is slowed by steric hindrance, phenol, acetic acid, water A proton donating substance typified by alcohols may be used as a catalyst.

また、反応温度は、好ましくは室温〜160℃の範囲であり、より好ましくは60〜120℃の範囲である。また、反応時間は、特に限定しないが、通常30分〜14時間の範囲である。また、反応終点は、赤外分光法(IR法)にて、エポキシ基に起因する842cm−1付近の吸収ピークの消失によって確認できる。また、常法によりアミン当量(g/当量)と水酸基当量(g/当量)を求めることができる。 The reaction temperature is preferably in the range of room temperature to 160 ° C, more preferably in the range of 60 to 120 ° C. The reaction time is not particularly limited, but is usually in the range of 30 minutes to 14 hours. The end point of the reaction can be confirmed by disappearance of the absorption peak near 842 cm −1 due to the epoxy group by infrared spectroscopy (IR method). Moreover, an amine equivalent (g / equivalent) and a hydroxyl equivalent (g / equivalent) can be calculated | required by a conventional method.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際には、前記3級アミノ基含有ポリオール(a)の他に、目的、用途に応じて一般にポリウレタンの合成に利用される種々のポリオール(f)を用いることができる。   When producing the cationic polyurethane resin (A), in addition to the tertiary amino group-containing polyol (a), various polyols (f) generally used for the synthesis of polyurethane depending on the purpose and application. Can be used.

その中でも、好ましくは数平均分子量200〜10,000の範囲、より好ましくは数平均分子量300〜5,000の範囲のポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリエステルアミドポリオール、ポリアセタールポリオール、ポリチオエーテルポリオール、及びポリブタジエンポリオール等の各種ポリオールが挙げられ、これらを単独使用してもよく2種以上を併用してもよい。   Among them, the polyester polyol, polyether polyol, polycarbonate polyol, polyester amide polyol, polyacetal polyol, polythioether polyol having a number average molecular weight of preferably in the range of 200 to 10,000, more preferably in the range of the number average molecular weight of 300 to 5,000. And various polyols such as polybutadiene polyol. These may be used alone or in combination of two or more.

上記ポリオールの中でも、工業的に入手が容易なポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオールについて下記に代表的化合物を例示する。   Among the above polyols, representative compounds are exemplified below for polyester polyols, polyether polyols, and polycarbonate polyols that are industrially easily available.

前記ポリエステルポリオールとしては、低分子量ポリオールとポリカルボン酸とをエステル化反応して得られるものを使用することができる。   As said polyester polyol, what is obtained by esterifying a low molecular weight polyol and polycarboxylic acid can be used.

前記低分子量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、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、ポリエチレングリコール(数平均分子量300〜6000の範囲)、ポリプロピレングリコール(数平均分子量300〜6000の範囲)、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(数平均分子量300〜6000の範囲);ビスフェノールA、水素添加ビスフェノールA及びそのアルキレンオキサイド付加体;トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリストール、ソルビトール等を使用することができる。   Examples of the low molecular weight polyol include ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, and 3-methyl-1,5. -Pentanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, 1,4-cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, polyethylene glycol (Number average molecular weight 300-6000 range), polypropylene glycol (number average molecular weight 300-6000 range), ethylene oxide-propylene oxide copolymer (number average molecular weight 300-6000) Circumference); bisphenol A, hydrogenated bisphenol A and alkylene oxide adducts thereof; trimethylolpropane, trimethylolethane, pentaerythritol, it can be used sorbitol.

前記ポリエステルポリオールを製造する際に使用できるポリカルボン酸としては、例えばコハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、トデカンジカルボン酸、無水マレイン酸、フマル酸、1,3−シクロペンタンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、フタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、ナフタル酸、ビフェニルジカルボン酸、1,2−ビス(フェノキシ)エタン−p,p’−ジカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、及びこれらのポリカルボン酸の無水物あるいはエステル形成誘導体等を使用することができる。   Examples of the polycarboxylic acid that can be used in producing the polyester polyol include succinic acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, todecanedicarboxylic acid, maleic anhydride, fumaric acid, 1,3-cyclopentanedicarboxylic acid, 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, phthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, naphthalic acid, biphenyldicarboxylic acid, 1,2-bis (phenoxy) ethane p, p′-dicarboxylic acid, trimellitic acid, pyromellitic acid, and anhydrides or ester-forming derivatives of these polycarboxylic acids can be used.

また、前記ポリエステルポリオールとしては、ε−カプロラクトン等の環状エステル化合物の開環重合反応によって得られるポリエステル、及びこれらの共重合ポリエステル等を使用することもできる。   Moreover, as said polyester polyol, polyester obtained by ring-opening polymerization reaction of cyclic ester compounds, such as (epsilon) -caprolactone, these copolyesters, etc. can also be used.

また、ポリエーテルポリオールとしては、例えば、後述する活性水素原子を少なくとも2個有する化合物を開始剤として使用し、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド、スチレンオキサイド、エピクロルヒドリン、テトラヒドロフラン、シクロヘキシレン等の化合物の1種以上を付加重合することによって得られるものを使用することができる。   Further, as the polyether polyol, for example, a compound having at least two active hydrogen atoms described later is used as an initiator, and a compound such as ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide, styrene oxide, epichlorohydrin, tetrahydrofuran, cyclohexylene, etc. What is obtained by addition-polymerizing 1 or more types can be used.

前記活性水素原子を少なくとも2個有する化合物としては、例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ヘキサメチレングリコール、サッカロース、メチレングリコール、グリセリン、ソルビトール;アクニット酸、トリメリット酸、ヘミメリット酸、燐酸、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリイソプロパノールアミン、ピロガロール、ジヒドロ安息香酸、ヒドロキシフタール酸、1,2,3−プロパントリチオール等を使用することができる。   Examples of the compound having at least two active hydrogen atoms include ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, and hexamethylene glycol. , Sucrose, methylene glycol, glycerin, sorbitol; actinic acid, trimellitic acid, hemimellitic acid, phosphoric acid, ethylenediamine, propylenediamine, diethylenetriamine, triisopropanolamine, pyrogallol, dihydrobenzoic acid, hydroxyphthalic acid, 1,2,3 -Propane trithiol or the like can be used.

また、ポリカーボネートポリオールとしては、例えば、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、シクロヘキサンジメタノール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール又はポリテトラメチレングリコール(PTMG)等のようなジオール類と、ジメチルカーボネート等によって代表されるようなジアルキルカーボネート或いはエチレンカーボネート等によって代表されるような環式カーボネートとの反応生成物などが挙げられる。   Examples of the polycarbonate polyol include 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,6-hexanediol, cyclohexanedimethanol, diethylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, and polytetramethylene glycol (PTMG). And a reaction product of a dialkyl carbonate represented by dimethyl carbonate or the like and a cyclic carbonate represented by ethylene carbonate or the like.

なかでも、得られる塗膜の劣化を防止し、長期にわたって安定な塗膜を保持するためには、ポリオールとして高耐久性のポリオールを使用することが好ましいことから、ポリカーボネートポリオールを使用することにより、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)に、ポリカーボネートポリオールに由来する構造単位を導入することが好ましい。   Among them, in order to prevent deterioration of the obtained coating film and maintain a stable coating film for a long period of time, it is preferable to use a highly durable polyol as a polyol. It is preferable to introduce a structural unit derived from a polycarbonate polyol into the cationic polyurethane resin (A).

本発明で用いるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際に使用することができるポリイソシアネート(g)としては、芳香族ポリイソシアネート、脂環式ポリイソシアネート、及び脂肪族ポリイソシアネート等の、水性ポリウレタン樹脂の製造において用いられる種々の有機ポリイソシアネート等が挙げられる。   Examples of the polyisocyanate (g) that can be used in the production of the cationic polyurethane resin (A) used in the present invention include aqueous polyurethanes such as aromatic polyisocyanates, alicyclic polyisocyanates, and aliphatic polyisocyanates. Examples include various organic polyisocyanates used in the production of resins.

前記芳香族ポリイソシアネートとしては、例えば、1,3−及び1,4−フェニレンジイソシアネート、1−メチル−2,4−フェニレンジイソシアネート、1−メチル−2,6−フェニレンジイソシアネート、1−エチル−2,4−フェニレンジイソシアネート、1−イソプロピル−2,4−フェニレンジイソシアネート、1,3−ジメチル−2,4−フェニレンジイソシアネート、1,3−ジメチル−4,6−フェニレンジイソシアネート、1,4−ジメチル−2,5−フェニレンジイソシアネート、1,3−ビス(イソシアナトメチル)−ベンゼン、1,4−ビス(イソシアナトメチル)−ベンゼン、メタ−テトラメチルキシリレンジイソシアネート、パラ−テトラメチルキシリレンジイソシアネート、ジエチルベンゼンジイソシアネート、ジイソプロピルベンゼンジイソシアネート、1−メチル−3,5−ジエチルベンゼンジイソシアネート、3−メチル−1,5−ジエチルベンゼン−2,4−ジイソシアネート、1,3,5−トリエチルベンゼン−2,4−ジイソシアネート、ナフタレン−1,4−ジイソシアネート、ナフタレン−1,5−ジイソシアネート、1−メチル−ナフタレン−1,5−ジイソシアネート、ナフタレン−2,6−ジイソシアネート、ナフタレン−2,7−ジイソシアネート、1,1’−ジナフチル−2,2’−ジイソシアネート、ビフェニル−2,4’−ジイソシアネート、ビフェニル−4,4’−ジイソシアネート、3,3’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−2,2’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−2,4’−ジイソシアネート等を使用することができる。   Examples of the aromatic polyisocyanate include 1,3- and 1,4-phenylene diisocyanate, 1-methyl-2,4-phenylene diisocyanate, 1-methyl-2,6-phenylene diisocyanate, 1-ethyl-2, 4-phenylene diisocyanate, 1-isopropyl-2,4-phenylene diisocyanate, 1,3-dimethyl-2,4-phenylene diisocyanate, 1,3-dimethyl-4,6-phenylene diisocyanate, 1,4-dimethyl-2, 5-phenylene diisocyanate, 1,3-bis (isocyanatomethyl) -benzene, 1,4-bis (isocyanatomethyl) -benzene, meta-tetramethylxylylene diisocyanate, para-tetramethylxylylene diisocyanate, diethylbenzene diisocyanate Ne Diisopropylbenzene diisocyanate, 1-methyl-3,5-diethylbenzene diisocyanate, 3-methyl-1,5-diethylbenzene-2,4-diisocyanate, 1,3,5-triethylbenzene-2,4-diisocyanate, naphthalene- 1,4-diisocyanate, naphthalene-1,5-diisocyanate, 1-methyl-naphthalene-1,5-diisocyanate, naphthalene-2,6-diisocyanate, naphthalene-2,7-diisocyanate, 1,1′-dinaphthyl-2 , 2′-diisocyanate, biphenyl-2,4′-diisocyanate, biphenyl-4,4′-diisocyanate, 3,3′-dimethylbiphenyl-4,4′-diisocyanate, diphenylmethane-4,4′-diisocyanate, dipheny Methane-2,2'-diisocyanate, diphenylmethane-2,4'-diisocyanate and the like can be used.

また、脂環式ポリイソシアネート及び脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えば、テトラメチレンジイソシアネート、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、1,3−シクロペンチレンジイソシアネート、1,3−シクロヘキシレンジイソシアネート、1,4−シクロヘキシレンジイソシアネート、1,3−ビス(イソシアナートメチル)シクロヘキサン、1,4−ビス(イソシアナートメチル)シクロヘキサン、リジンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,2’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、3,3’−ジメチル−4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート等及びこれらの3量体等を使用することができる。   Examples of the alicyclic polyisocyanate and aliphatic polyisocyanate include tetramethylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate, dodecamethylene diisocyanate, trimethylhexamethylene diisocyanate, 1,3-cyclopentylene diisocyanate, 1,3. -Cyclohexylene diisocyanate, 1,4-cyclohexylene diisocyanate, 1,3-bis (isocyanatomethyl) cyclohexane, 1,4-bis (isocyanatomethyl) cyclohexane, lysine diisocyanate, isophorone diisocyanate, 4,4'-dicyclohexylmethane Diisocyanate, 2,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2,2'-dicyclohexylmethane diisocyanate, 3,3'-di It can be used chill-4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and trimers thereof and the like.

比較的安価なこと、原料を入手しやすいことから、1−メチル−2,4−フェニレンジイソシアネート、1−メチル−2,6−フェニレンジイソシアネート、1,3−ビス(イソシアナトメチル)−ベンゼン、1,4−ビス(イソシアナトメチル)−ベンゼン、ジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−2,2’−ジイソシアネート、ジフェニルメタン−2,4’−ジイソシアネート、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,2’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネートが好適である。   1-methyl-2,4-phenylene diisocyanate, 1-methyl-2,6-phenylene diisocyanate, 1,3-bis (isocyanatomethyl) -benzene, 1 , 4-bis (isocyanatomethyl) -benzene, diphenylmethane-4,4′-diisocyanate, diphenylmethane-2,2′-diisocyanate, diphenylmethane-2,4′-diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, 4,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate, and 2,2′-dicyclohexylmethane diisocyanate are preferred.

また、前記同様、得られる塗膜の耐熱変色、耐光変色による塗膜の劣化を防止するために、ポリイソシアネートとして、一般に無黄変型といわれる脂環式ポリイソシアネート及び/又は脂肪族ポリイソシアネートを使用することにより、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)にかかる脂環式ポリイソシアネート及び/又は脂肪族ポリイソシアネートに由来する構造単位を導入することが好ましい。   In addition, as described above, in order to prevent deterioration of the coating film due to heat discoloration and light discoloration of the obtained coating film, an alicyclic polyisocyanate and / or an aliphatic polyisocyanate generally referred to as non-yellowing type is used as the polyisocyanate. It is preferable to introduce a structural unit derived from the alicyclic polyisocyanate and / or aliphatic polyisocyanate according to the cationic polyurethane resin (A).

また、前記ポリイソシアネート(g)としては、原料を入手しやすさを考慮すると、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、2,2’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネートを使用することが特に好ましい。   In addition, as the polyisocyanate (g), considering the availability of raw materials, 1,6-hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, 4,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate, 2,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate, Particular preference is given to using 2,2′-dicyclohexylmethane diisocyanate.

更に、得られる塗膜の耐水性をより向上させる目的で、シラノール基を含有する構造単位を前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)に導入することが好ましい。シラノール基を含有する構造単位を導入すると、有機成分であるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子と、金属アルコキシド(B)により形成される無機の金属酸化物マトリクスとの間に架橋構造が形成されるため、より強固な有機無機ハイブリッドの塗膜を得ることができる。   Furthermore, in order to further improve the water resistance of the resulting coating film, it is preferable to introduce a structural unit containing a silanol group into the cationic polyurethane resin (A). When a structural unit containing a silanol group is introduced, a crosslinked structure is formed between particles made of a cationic polyurethane resin (A), which is an organic component, and an inorganic metal oxide matrix formed by a metal alkoxide (B). Therefore, a stronger organic-inorganic hybrid coating film can be obtained.

シラノール基を含有する構造単位としては、下記一般式[II]で表される構造単位を例示できる。   As a structural unit containing a silanol group, the structural unit represented by the following general formula [II] can be illustrated.

Figure 0004099726
(式[II]中、Rは水素原子、アルキル基、アリール基、又はアラルキル基であり、、Rはハロゲン原子、アルコキシル基、アシロキシ基、フェノキシ基、イミノオキシ基又はアルケニルオキシ基であり、nは0、1又は2である。)
Figure 0004099726
(In the formula [II], R 5 is a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or an aralkyl group, R 6 is a halogen atom, an alkoxyl group, an acyloxy group, a phenoxy group, an iminooxy group, or an alkenyloxy group, n is 0, 1 or 2.)

前記一般式[II]で表される構造単位をカチオン性ポリウレタン樹脂(A)に導入するために用いる化合物としては、下記一般式[III]で示される化合物(h)であることが好ましい。   The compound used for introducing the structural unit represented by the general formula [II] into the cationic polyurethane resin (A) is preferably a compound (h) represented by the following general formula [III].

Figure 0004099726
(式[III]中、Rは水素原子、アルキル基、アリール基、又はアラルキル基であり、Rはハロゲン原子、アルコキシル基、アシロキシ基、フェノキシ基、イミノオキシ基又はアルケニルオキシ基であり、nは0、1又は2であり、Yは活性水素基を少なくとも1個以上含有する有機残基である。)
Figure 0004099726
(In the formula [III], R 5 is a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or an aralkyl group, R 6 is a halogen atom, an alkoxyl group, an acyloxy group, a phenoxy group, an iminooxy group, or an alkenyloxy group, and n Is 0, 1 or 2, and Y is an organic residue containing at least one active hydrogen group.)

前記一般式[III]で示される化合物(h)としては、例えば、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−(2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルメチルジエトキシシランまたはγ−(N,N−ジ−2−ヒドロキシルエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシランまたはγ−(N−フェニル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトフェニルトリメトキシシランなどが挙げられる。   Examples of the compound (h) represented by the general formula [III] include γ- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ- (2 -Aminoethyl) aminopropyltriethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropyltriethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropylmethyldimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropylmethyldi Ethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropylmethyldimethoxysilane, γ- (2-hydroxylethyl) aminopropylmethyldiethoxysilane or γ- (N, N-di-2-hydroxylethyl) aminopropyltriethoxy Silane, γ-aminopropyltrimethoxy Silane, γ-aminopropyltriethoxysilane, γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, γ-aminopropylmethyldiethoxysilane or γ- (N-phenyl) aminopropyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, γ- Examples include mercaptophenyltrimethoxysilane.

カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際には、種々の機械的特性や熱特性等の物性を有するポリウレタン樹脂の設計を行う目的で、ポリアミンを鎖伸長剤として使用してもよい。   When the cationic polyurethane resin (A) is produced, polyamine may be used as a chain extender for the purpose of designing a polyurethane resin having physical properties such as various mechanical properties and thermal properties.

前記鎖伸長剤として使用可能なポリアミンとしては、例えば、エチレンジアミン、1,2−プロパンジアミン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、ピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、イソホロンジアミン、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、1,4−シクロヘキサンジアミン等のジアミン類;N−ヒドロキシメチルアミノエチルアミン、N−ヒドロキシエチルアミノエチルアミン、N−ヒドロキシプロピルアミノプロピルアミン、N−エチルアミノエチルアミン、N−メチルアミノプロピルアミン等の1個の1級アミノ基と1個の2級アミノ基を含有するジアミン類;ジエチレントリアミン、ジプロピレントリアミン、トリエチレンテトラミン等のポリアミン類;ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、N,N’−ジメチルヒドラジン等のヒドラジン類;コハク酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、グルタル酸ジヒドラジド、セバシン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド等のジヒドラジド類;β−セミカルバジドプロピオン酸ヒドラジド、3−セミカルバジド−プロピル−カルバジン酸エステル、セミカルバジド−3−セミカルバジドメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン等のセミカルバジド類を使用することができる。更に、水も鎖伸長剤として使用することができる。   Examples of the polyamine that can be used as the chain extender include ethylenediamine, 1,2-propanediamine, 1,6-hexamethylenediamine, piperazine, 2,5-dimethylpiperazine, isophoronediamine, and 4,4′-dicyclohexylmethane. Diamines such as diamine, 3,3′-dimethyl-4,4′-dicyclohexylmethanediamine, 1,4-cyclohexanediamine; N-hydroxymethylaminoethylamine, N-hydroxyethylaminoethylamine, N-hydroxypropylaminopropylamine Diamines containing one primary amino group and one secondary amino group such as N-ethylaminoethylamine and N-methylaminopropylamine; polyethylene such as diethylenetriamine, dipropylenetriamine and triethylenetetramine Hydrazines such as hydrazine, monomethylhydrazine, N, N′-dimethylhydrazine; dihydrazides such as succinic acid dihydrazide, adipic acid dihydrazide, glutaric acid dihydrazide, sebacic acid dihydrazide, isophthalic acid dihydrazide; , Semicarbazides such as 3-semicarbazide-propyl-carbazate, semicarbazide-3-semicarbazide methyl-3,5,5-trimethylcyclohexane, and the like can be used. In addition, water can also be used as a chain extender.

カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際には、前記ポリアミンの他に、ポリウレタン樹脂の種々の機械的特性や熱特性等の物性を調整する目的で、その他の活性水素原子含有の鎖伸長剤を使用することもできる。   When the cationic polyurethane resin (A) is produced, in addition to the polyamine, other chain extenders containing active hydrogen atoms are used for the purpose of adjusting physical properties such as various mechanical properties and thermal properties of the polyurethane resin. Can also be used.

前記その他の活性水素含有の鎖伸長剤として使用することができるものは、例えば、エチレングリコール、ジエチレンリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ヘキサメチレングリコール、サッカロース、メチレングリコール、グリセリン、ソルビトール等のグリコール類;ビスフェノールA、4,4’−ジヒドロキシジフェニル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、水素添加ビスフェノールA、ハイドロキノン等のフェノール類、及び水が挙げられ、本発明のカチオン性ポリウレタン樹脂水分散体の保存安定性を低下させない範囲内においてこれらを単独もしくは併用しても構わない。   Examples of the other active hydrogen-containing chain extenders include ethylene glycol, diethylene recall, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1, Glycols such as 4-butanediol, hexamethylene glycol, saccharose, methylene glycol, glycerin, sorbitol; bisphenol A, 4,4′-dihydroxydiphenyl, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, Examples thereof include hydrogenated bisphenol A, phenols such as hydroquinone, and water, and these may be used alone or in combination within a range not deteriorating the storage stability of the cationic polyurethane resin aqueous dispersion of the present invention. There.

本発明で使用するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する方法としては、例えば、次のような方法を例示できる。これら方法によればカチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子が水性媒体中に均一に分散した水性分散体を得ることができる。   Examples of the method for producing the cationic polyurethane resin (A) used in the present invention include the following methods. According to these methods, an aqueous dispersion in which particles made of the cationic polyurethane resin (A) are uniformly dispersed in an aqueous medium can be obtained.

〔方法1〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることによりポリウレタン樹脂を製造し、得られたポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめる方法。 [Method 1] A polyol (f), a polyisocyanate (g), a tertiary amino group-containing polyol (a), and a compound (h) are charged all at once or separately and reacted in a solvent or under no solvent. A polyurethane resin is produced, and some or all of the tertiary amino groups in the obtained polyurethane resin are neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent, and then water is added to disperse in water. Method.

〔方法2〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造した後、ポリアミンを用いて鎖伸長することによりポリウレタン樹脂を製造し、前記ポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめる方法。 [Method 2] A polyol (f), a polyisocyanate (g), a tertiary amino group-containing polyol (a) and a compound (h) are charged all at once or in a divided manner, and reacted in a solvent or in the absence of a solvent. After producing a urethane prepolymer having an isocyanate group at the terminal, a polyurethane resin is produced by chain extension using a polyamine, and a part or all of the tertiary amino groups in the polyurethane resin are neutralized with an acid, and A method of adding water and dispersing it after quaternization with a / and quaternizing agent.

〔方法3〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造し、得られたウレタンプレポリマー中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめ、その後にポリアミンを用いて鎖伸長する方法。 [Method 3] A polyol (f), a polyisocyanate (g), a tertiary amino group-containing polyol (a), and a compound (h) are charged all at once or divided and reacted in a solvent or in the absence of a solvent. After producing a urethane prepolymer having an isocyanate group at the terminal, neutralizing part or all of the tertiary amino group in the obtained urethane prepolymer with an acid and / or quaternizing with a quaternizing agent, A method in which water is added and dispersed in water, and then chain extension is performed using polyamine.

〔方法4〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)とを、一括又は分割してこれらを仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造し、得られたウレタンプレポリマー中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水系媒体中にホモジナイザー等の機械を用いて強制的に乳化させて水溶化又は水分散せしめ、その後にポリアミンを用いて鎖伸長する方法。 [Method 4] A polyol (f), a polyisocyanate (g), a tertiary amino group-containing polyol (a) and a compound (h) are batched or divided, charged, and reacted in a solvent or in the absence of a solvent. This produced a urethane prepolymer having an isocyanate group at the terminal, and part or all of the tertiary amino groups in the resulting urethane prepolymer were neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent. Thereafter, a method of forcibly emulsifying in an aqueous medium using a machine such as a homogenizer to make it water-soluble or water-dispersed, and then chain-extending using polyamine.

〔方法5〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)とポリアミンとを、一括して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることによりポリウレタン樹脂を製造し、得られたポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水溶化又は水分散せしめる方法。 [Method 5] By charging the polyol (f), the polyisocyanate (g), the tertiary amino group-containing polyol (a), the compound (h) and the polyamine all together and reacting them in a solvent or in the absence of a solvent. A polyurethane resin is produced, and some or all of the tertiary amino groups in the obtained polyurethane resin are neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent, and then water is added to make the solution water-soluble or Method to disperse in water.

〔方法6〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることによりポリウレタン樹脂を製造し、得られたポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめる方法。 [Method 6] A polyurethane resin is produced by charging a polyol (f), a polyisocyanate (g), and a tertiary amino group-containing polyol (a) in a batch or divided and reacting them in a solvent or in the absence of a solvent. A method in which part or all of the tertiary amino groups in the obtained polyurethane resin are neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent, and then water is added to disperse in water.

〔方法7〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造した後、ポリアミンを用いて鎖伸長することによりポリウレタン樹脂を製造し、得られたポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめる方法。 [Method 7] A polyol (f), a polyisocyanate (g), and a tertiary amino group-containing polyol (a) are charged all at once or separately, and reacted in a solvent or in the absence of a solvent to form an isocyanate group at the terminal. After producing a urethane prepolymer having a polyurethane resin, a polyurethane resin is produced by chain extension using a polyamine, and some or all of the tertiary amino groups in the obtained polyurethane resin are neutralized with an acid, and / or 4 A method in which water is added and dispersed after quaternization with a classifier.

〔方法8〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)とを、一括又は分割して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造し、得られたウレタンプレポリマー中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめ、その後にポリアミンを用いて鎖伸長する方法。 [Method 8] A polyol (f), a polyisocyanate (g), and a tertiary amino group-containing polyol (a) are charged all at once or separately, and reacted in a solvent or in the absence of a solvent to form an isocyanate group at the terminal. The urethane prepolymer is produced, and part or all of the tertiary amino groups in the obtained urethane prepolymer are neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent, and then water is added thereto. A method in which water is dispersed and then chain elongation is performed using polyamine.

〔方法9〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)とを、一括又は分割してこれらを仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることにより末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを製造し、3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水系媒体中にホモジナイザー等の機械を用いて強制的に乳化させて水分散せしめ、その後にポリアミンを用いて鎖伸長する方法。 [Method 9] A polyol (f), a polyisocyanate (g), and a tertiary amino group-containing polyol (a) are charged together or divided and charged, and reacted in a solvent or in the absence of a solvent to react with an isocyanate at the end. After producing a urethane prepolymer having a group and neutralizing a part or all of the tertiary amino group with an acid and / or quaternizing with a quaternizing agent, using a machine such as a homogenizer in an aqueous medium A method of forcibly emulsifying and dispersing in water, followed by chain elongation using polyamine.

〔方法10〕ポリオール(f)とポリイソシアネート(g)と3級アミノ基含有ポリオール(a)とポリアミンとを、一括して仕込み、溶剤中又は無溶剤下で反応させることによりポリウレタン樹脂を製造し、得られたポリウレタン樹脂中の3級アミノ基の一部又は全てを酸で中和、及び/又は4級化剤で4級化した後、水を投入して水分散せしめる方法。 [Method 10] A polyurethane resin is produced by charging a polyol (f), a polyisocyanate (g), a tertiary amino group-containing polyol (a) and a polyamine in a lump and reacting them in a solvent or in the absence of a solvent. A method in which part or all of the tertiary amino groups in the obtained polyurethane resin are neutralized with an acid and / or quaternized with a quaternizing agent, and then water is added to disperse in water.

尚、上記〔方法1〕〜〔方法10〕の製造方法において、乳化剤を必要に応じて用いてもよい。   In addition, in the manufacturing method of said [Method 1]-[Method 10], you may use an emulsifier as needed.

本発明で使用可能な乳化剤としては、特に限定しないが、前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水分散体の優れた保存安定性を維持する観点から、基本的にノニオン性又はカチオン性であることが好ましい。例えば、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンスチリルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンソルビトールテトラオレエート、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレン共重合体等のノニオン系乳化剤;アルキルアミン塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、アルキルジメチルベンジルアンモニウム塩等のカチオン系乳化剤等を使用することが好ましい。なお、前記カチオン性ポリウレタン樹脂水分散体への乳化剤の混和安定性が保たれる範囲内であれば、アニオン性又は両性の乳化剤を併用しても構わない。   The emulsifier that can be used in the present invention is not particularly limited, but is basically nonionic or cationic from the viewpoint of maintaining excellent storage stability of the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A). Is preferred. For example, nonionic emulsifiers such as polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene styryl phenyl ether, polyoxyethylene sorbitol tetraoleate, polyoxyethylene / polyoxypropylene copolymer; alkylamine salts, It is preferable to use cationic emulsifiers such as alkyltrimethylammonium salts and alkyldimethylbenzylammonium salts. An anionic or amphoteric emulsifier may be used in combination as long as the mixing stability of the emulsifier to the cationic polyurethane resin aqueous dispersion is maintained.

前記方法によりカチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際には、該樹脂の水分散性を助ける助剤として、親水基となりうる基を有する化合物(以下、親水基含有化合物という。)を使用してもよい。   When the cationic polyurethane resin (A) is produced by the above-described method, a compound having a group capable of becoming a hydrophilic group (hereinafter referred to as a hydrophilic group-containing compound) is used as an aid for assisting water dispersibility of the resin. May be.

かかる親水基含有化合物としては、アニオン性基含有化合物、カチオン性基含有化合物、両性基含有化合物、又はノニオン性基含有化合物を用いることができるが、カチオン性ポリウレタン樹脂水分散体の優れた保存安定性を維持する観点から、ノニオン性基含有化合物が好ましい。   As such a hydrophilic group-containing compound, an anionic group-containing compound, a cationic group-containing compound, an amphoteric group-containing compound, or a nonionic group-containing compound can be used, but the excellent storage stability of the cationic polyurethane resin aqueous dispersion is excellent. From the viewpoint of maintaining the properties, a nonionic group-containing compound is preferable.

前記ノニオン性基含有化合物としては、分子内に少なくとも1個以上の活性水素原子を有し、かつエチレンオキシドの繰り返し単位からなる基、及びエチレンオキシドの繰り返し単位とその他のアルキレンオキシドの繰り返し単位からなる基からなる群から選ばれる少なくとも一つの官能基を有する化合物を使用することができる。   The nonionic group-containing compound includes a group having at least one active hydrogen atom in the molecule and consisting of a repeating unit of ethylene oxide, and a group consisting of a repeating unit of ethylene oxide and another repeating unit of alkylene oxide. A compound having at least one functional group selected from the group can be used.

例えば、エチレンオキシドの繰り返し単位を少なくとも30質量%以上含有し、ポリマー中に少なくとも1個以上の活性水素原子を含有する数平均分子量300〜20,000のポリオキシエチレングリコール又はポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン共重合体グリコール、ポリオキシエチレン−ポリオキシブチレン共重合体グリコール、ポリオキシエチレン−ポリオキシアルキレン共重合体グリコール又はそれらのモノアルキルエーテル等のノニオン基含有化合物又はこれらを共重合して得られるポリエステルポリエーテルポリオールなどの化合物を使用することが可能である。   For example, polyoxyethylene glycol or polyoxyethylene-polyoxypropylene having a number average molecular weight of 300 to 20,000 containing at least 30% by mass of repeating units of ethylene oxide and containing at least one active hydrogen atom in the polymer Nonionic group-containing compounds such as copolymer glycols, polyoxyethylene-polyoxybutylene copolymer glycols, polyoxyethylene-polyoxyalkylene copolymer glycols or their monoalkyl ethers, or polyesters obtained by copolymerizing these Compounds such as polyether polyols can be used.

次に、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際の、原料仕込み比率(当量比)について詳細に述べる。   Next, the raw material charging ratio (equivalent ratio) when producing the cationic polyurethane resin (A) will be described in detail.

前記ポリオール(f)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と、ポリイソシアネート(g)とを反応させる場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基の当量比〔(g)が有するイソシアネート基の当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量〕を、0.9/1〜1.1/1の範囲に調整することが好ましい。   When the polyol (f), the tertiary amino group-containing polyol (a), and the polyisocyanate (g) are reacted, the equivalent ratio of the isocyanate group to the active hydrogen atom-containing group [equivalent of isocyanate group possessed by (g)] / [Equivalent hydroxyl group of (f) + Equivalent hydroxyl group of (a)] is preferably adjusted to a range of 0.9 / 1 to 1.1 / 1.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際に、鎖伸長剤として、たとえばポリアミンを使用する場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基の当量比〔(g)のイソシアネートの当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量+ポリアミンが有するアミノ基の当量〕を、0.9/1〜1.1/1の範囲に調整することが好ましい。   When the cationic polyurethane resin (A) is produced, for example, when a polyamine is used as the chain extender, the equivalent ratio of isocyanate group to active hydrogen atom-containing group [equivalent of isocyanate in (g)] / [(f ) + Equivalent of hydroxyl group possessed by (a) + equivalent of hydroxyl group possessed by (a) + equivalent of amino group possessed by polyamine] is preferably adjusted in the range of 0.9 / 1 to 1.1 / 1.

また、前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、ウレタンプレポリマーを製造した後に、ポリアミンを用いて鎖伸長反応させることにより製造してもよい。かかる場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基との当量比〔(g)が有するイソシアネート基の当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量〕を、1.1/1〜3/1の範囲に調整することが好ましく、1.2/1〜2/1の範囲に調整することがより好ましい。この場合、ポリアミンで鎖伸長する際のポリアミンが有するアミノ基と過剰のイソシアネート基との当量比は、好ましくは1.1/1〜0.9/1の範囲である。   Moreover, you may manufacture the said cationic polyurethane resin (A) by making chain | strand extension reaction using a polyamine, after manufacturing a urethane prepolymer. In this case, the equivalent ratio of the isocyanate group to the active hydrogen atom-containing group [equivalent of isocyanate group possessed by (g)] / [equivalent hydroxyl group possessed by (f) + equivalent hydroxyl group possessed by (a)] It is preferable to adjust to the range of 1/1 to 3/1, and it is more preferable to adjust to the range of 1.2 / 1 to 2/1. In this case, the equivalent ratio of the amino group and excess isocyanate group of the polyamine when chain-extending with the polyamine is preferably in the range of 1.1 / 1 to 0.9 / 1.

また、前記ポリオール(f)と3級アミノ基含有ポリオール(a)と化合物(h)と、ポリイソシアネート(g)とを反応させる場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基の当量比〔(g)が有するイソシアネート基の当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量+(h)が有する活性水素基の当量〕を、0.9/1〜1.1/1の範囲に調整することが好ましい。   Further, when the polyol (f), the tertiary amino group-containing polyol (a), the compound (h), and the polyisocyanate (g) are reacted, the equivalent ratio of the isocyanate group and the active hydrogen atom-containing group [(g) Equivalents of isocyanate groups possessed by] / [equivalents of hydroxyl groups possessed by (f) + equivalents of hydroxyl groups possessed by (a) + equivalents of active hydrogen groups possessed by (h)] are 0.9 / 1 to 1.1 / It is preferable to adjust to the range of 1.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)を製造する際に、鎖伸長剤として、たとえばポリアミンを使用する場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基の当量比〔(g)が有するイソシアネート基の当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量+(h)が有する活性水素基の当量+ポリアミンが有する活性水素基の当量〕を、0.9/1〜1.1/1の範囲に調整することが好ましい。   When the cationic polyurethane resin (A) is produced, for example, when a polyamine is used as a chain extender, the equivalent ratio of the isocyanate group and the active hydrogen atom-containing group [equivalent of isocyanate group possessed by (g)] / [ (F) equivalent of hydroxyl group + equivalent of hydroxyl group of (a) + equivalent of active hydrogen group of (h) + equivalent of active hydrogen group of polyamine] is 0.9 / 1 to 1.1 / It is preferable to adjust to the range of 1.

また、前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、ウレタンプレポリマーを製造した後に、ポリアミンを用いて鎖伸長反応させることにより製造してもよい。かかる場合、イソシアネート基と活性水素原子含有基との当量比〔(g)が有するイソシアネート基の当量〕/〔(f)が有する水酸基の当量+(a)が有する水酸基の当量+(h)が有する活性水素基の当量〕が、1.1/1〜3/1の範囲であることが好ましく、1.2/1〜2/1の範囲であることがより好ましい。この場合、ポリアミンで鎖伸長する際のポリアミンが有するアミノ基と過剰のイソシアネート基との当量比は、好ましくは1.1/1〜0.9/1の範囲である。   Moreover, you may manufacture the said cationic polyurethane resin (A) by making chain | strand extension reaction using a polyamine, after manufacturing a urethane prepolymer. In this case, the equivalent ratio of the isocyanate group to the active hydrogen atom-containing group [equivalent of isocyanate group possessed by (g)] / [equivalent hydroxyl group possessed by (f) + equivalent hydroxyl group possessed by (a) + (h) The equivalent of active hydrogen group] is preferably in the range of 1.1 / 1 to 3/1, and more preferably in the range of 1.2 / 1 to 2/1. In this case, the equivalent ratio of the amino group and excess isocyanate group of the polyamine when chain-extending with the polyamine is preferably in the range of 1.1 / 1 to 0.9 / 1.

かかる反応において、反応温度は、好ましくは20〜120℃の範囲であり、より好ましくは30〜100℃の範囲である。   In such a reaction, the reaction temperature is preferably in the range of 20 to 120 ° C, more preferably in the range of 30 to 100 ° C.

また、3級アミノ基含有ポリオール(a)は、優れた保存安定性を発現させることを目的として、最終的に得られるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)に対して、好ましくは0.005〜1.5当量/kgの範囲であり、より好ましくは0.03〜1.0当量/kgであり、さらにより好ましくは0.15〜0.5当量/kgの範囲である。   Further, the tertiary amino group-containing polyol (a) is preferably 0.005 to 1.5 with respect to the finally obtained cationic polyurethane resin (A) for the purpose of expressing excellent storage stability. The range is 5 eq / kg, more preferably 0.03 to 1.0 eq / kg, and still more preferably 0.15 to 0.5 eq / kg.

また、化合物(h)は、金属アルコキシド(B)とより強固な有機無機ハイブリッドの塗膜を形成させることを目的として、最終的に得られるカチオン性ポリウレタン樹脂(A)に対して、好ましくは0.1〜20質量%の範囲であり、より好ましくは0.5〜10質量%の範囲である。   The compound (h) is preferably 0 with respect to the finally obtained cationic polyurethane resin (A) for the purpose of forming a stronger organic / inorganic hybrid coating film with the metal alkoxide (B). The range is from 1 to 20% by mass, and more preferably from 0.5 to 10% by mass.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、無溶剤条件下で製造することもできるが、反応制御を容易にする目的で、又は粘度低下による撹拌負荷の低減や均一に反応させる目的で、有機溶剤下で製造することも可能である。
前記有機溶剤としては、例えば、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類;酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル等の酢酸エステル類;アセトニトリル等のニトリル類;n−ペンタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素類;四塩化炭素、ジクロロメタン、クロロホルム、トリクロロエタン等の塩素化炭化水素類;ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類等を使用することができる。
The cationic polyurethane resin (A) can be produced under solvent-free conditions, but for the purpose of facilitating the reaction control, or for the purpose of reducing the stirring load due to a decrease in viscosity or causing a uniform reaction, under an organic solvent. It is also possible to manufacture with.
Examples of the organic solvent include ketones such as acetone, diethyl ketone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone; ethers such as diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, tetrahydrofuran, and dioxane; ethyl acetate Acetates such as butyl acetate and propyl acetate; nitriles such as acetonitrile; hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane, cyclohexane, n-heptane, benzene, toluene, xylene; carbon tetrachloride, dichloromethane, chloroform Chlorinated hydrocarbons such as trichloroethane; amides such as dimethylformamide and N-methylpyrrolidone can be used.

前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)は、無触媒下で製造することも可能であるが、種々の触媒、例えば、オクチル酸第一錫、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジマレート、ジブチル錫ジフタレート、ジブチル錫ジメトキシド、ジブチル錫ジアセチルアセテート、ジブチル錫ジバーサテート等の錫化合物、テトラブチルチタネート、テトライソプロピルチタネート、トリエタノールアミンチタネート等のチタネート化合物、その他、3級アミン類、4級アンモニウム塩等を使用してもよい。   The cationic polyurethane resin (A) can be produced without a catalyst, but various catalysts such as stannous octylate, dibutyltin dilaurate, dibutyltin dimaleate, dibutyltin diphthalate, dibutyltin dimethoxide Tin compounds such as dibutyltin diacetyl acetate and dibutyltin diversate, titanate compounds such as tetrabutyl titanate, tetraisopropyl titanate, and triethanolamine titanate, other tertiary amines, quaternary ammonium salts, and the like may be used.

上記のようにして得られるカチオン性ポリウレタン樹脂(a)の水分散体中に含まれる有機溶剤は、必要により、反応の途中又は反応終了後に、例えば減圧蒸留などの方法により除去することが好ましい。   The organic solvent contained in the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (a) obtained as described above is preferably removed by, for example, a method such as vacuum distillation during the reaction or after the completion of the reaction.

〔金属アルコキシド(B)〕
本発明で用いる金属アルコキシド又はその縮合物(B)中の金属としては、珪素、チタン、アルミニウムを好ましい例として挙げることができる。
[Metal alkoxide (B)]
Preferred examples of the metal in the metal alkoxide or its condensate (B) used in the present invention include silicon, titanium, and aluminum.

珪素アルコキシド又はその縮合物としては、一般的にゾル−ゲル反応で用いられるアルコキシシランであれば、特に限定されるものではない。例示するならば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等のテトラアルコキシシラン類、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、イソプロピルトリメトキシシラン、イソプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、3,4−エポキシシクロヘキシルエチルトリメトキシシラン、3,4−エポキシシクロヘキシルエチルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン類、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシランまたはこれらの部分縮合物等が挙げられる。   The silicon alkoxide or its condensate is not particularly limited as long as it is an alkoxysilane generally used in a sol-gel reaction. For example, tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltributoxy Silane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, isopropyltrimethoxysilane, isopropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-glycid Xylpropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane , Phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, 3,4-epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane, trialkoxysilanes such as 3,4-epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyl Examples include dimethoxysilane, diethyldiethoxysilane, and partial condensates thereof.

チタンアルコキシドとしては、例えば、チタンイソプロポキシド、チタンラクテート、チタントリエタノールアミネートなどが挙げられ、アルミニウムアルコキシドとしては、例えば、アルミニウムイソプロポキシドなどが挙げられる。   Examples of the titanium alkoxide include titanium isopropoxide, titanium lactate, and titanium triethanolamate. Examples of the aluminum alkoxide include aluminum isopropoxide.

これらの中でも、工業的入手のしやすさから、珪素アルコキシド又はその縮合物を用いるのが好適である。その中でも最も好適なのは、テトラメトキシシラン及びその縮合物である。また、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)中のカチオン性官能基と反応する官能基を有するアルコキシシランを併用することにより、塗膜の架橋をさらに緻密にすることができ、耐水性等の塗膜物性をより向上させることもできる。この場合に最も好適なのは、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランである。   Among these, it is preferable to use silicon alkoxide or a condensate thereof from the viewpoint of industrial availability. Of these, tetramethoxysilane and its condensate are most preferred. In addition, by using together an alkoxysilane having a functional group that reacts with the cationic functional group in the cationic polyurethane resin (A), the cross-linking of the coating film can be made more precise, and the coating film properties such as water resistance Can be further improved. Most preferred in this case is 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane.

また、前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の質量と金属アルコキシド又はその縮合物(B)の加水分解縮合後の質量(B1)との比が、(A)/(B1)で表される質量比で10/90〜70/30の範囲であることが好ましく、20/80〜70/30であることがより好ましく、30/70〜70/30であるのがさらに好ましい。金属アルコキシドの加水分解反応式は以下の通りである。   The ratio of the mass of the cationic polyurethane resin (A) to the mass (B1) after hydrolysis condensation of the metal alkoxide or its condensate (B) is represented by (A) / (B1). Is preferably in the range of 10/90 to 70/30, more preferably 20/80 to 70/30, and even more preferably 30/70 to 70/30. The hydrolysis reaction formula of metal alkoxide is as follows.

Figure 0004099726
〔式中、Rは有機基であり、Rはアルキル基であり、Xは(m+n)価の金属原子である。〕
Figure 0004099726
[Wherein, R 1 is an organic group, R 2 is an alkyl group, and X is a (m + n) -valent metal atom. ]

従って、完全加水分解縮合後の金属アルコキシドの質量(B1)は、(仕込み量)/(加水分解反応前の金属アルコキシドの式量)×(加水分解反応後の金属アルコキシドの式量)で計算することができる。   Therefore, the mass (B1) of the metal alkoxide after complete hydrolysis condensation is calculated by (charge amount) / (formula amount of metal alkoxide before hydrolysis reaction) × (formula amount of metal alkoxide after hydrolysis reaction). be able to.

〔酸触媒(C)〕
本発明で用いる酸触媒(C)としては、各種の酸触媒を用いることができる。例示するならば、塩酸、ホウ酸、硫酸、フッ酸、リン酸といった無機酸や、酢酸、フタル酸、マレイン酸、フマル酸、パラトルエンスルホン酸、などといった有機酸を用いることができる。また、これらの酸は単独、もしくは2種以上を併用してもよい。これらの中でも、目的とするpHの範囲への調整が容易であり、得られる水性塗料組成物の保存安定性が良好で、且つ得られる有機無機複合塗膜の耐水性に優れる点から、マレイン酸を用いることが好ましい。
[Acid catalyst (C)]
As the acid catalyst (C) used in the present invention, various acid catalysts can be used. For example, inorganic acids such as hydrochloric acid, boric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, and phosphoric acid, and organic acids such as acetic acid, phthalic acid, maleic acid, fumaric acid, and paratoluenesulfonic acid can be used. These acids may be used alone or in combination of two or more. Among these, maleic acid can be easily adjusted to the target pH range, the storage stability of the obtained water-based coating composition is good, and the resulting organic-inorganic composite coating film has excellent water resistance. Is preferably used.

また、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体に酸触媒(C)を加えた後の液のpHとしては、酸による機械の腐食等の問題が起こりにくく、且つ、得られる水性塗料組成物の保存安定性が良好である点から、通常1.0〜4.0の範囲で、好ましくは1.0〜3.0の範囲で、さらに好ましくは2.0〜3.0の範囲である。この範囲にpHを調整することが耐摩耗性と耐水性とに優れる有機無機複合塗膜を得るために重要であり、酸触媒(C)を徐々に滴下しながら、pHの調整を行うことが好ましい。   Further, the pH of the liquid after adding the acid catalyst (C) to the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A) is less likely to cause problems such as mechanical corrosion due to acid, and the resulting aqueous coating composition From the point that the storage stability is good, it is usually in the range of 1.0 to 4.0, preferably in the range of 1.0 to 3.0, more preferably in the range of 2.0 to 3.0. . It is important to adjust the pH within this range in order to obtain an organic-inorganic composite coating film excellent in wear resistance and water resistance, and the pH can be adjusted while gradually dropping the acid catalyst (C). preferable.

〔水性塗料組成物〕
本発明の水性塗料組成物の調整方法としては、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体と、酸触媒(C)とを混合し均一化した後、金属アルコキシド又はその縮合物(B)を混合するのが最も好適である。また、金属アルコキシド又はその縮合物(B)の加水分解により生成するアルコールは、残存したまま本発明の水性塗料組成物としても良く、また、種々の方法、例えば減圧下で放置又は加温することにより、該アルコールを除去したのち、水性塗料組成物としても良い。
[Water-based paint composition]
As a method for preparing the aqueous coating composition of the present invention, the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A) and the acid catalyst (C) are mixed and homogenized, and then the metal alkoxide or its condensate (B) is added. Mixing is most preferred. In addition, the alcohol produced by hydrolysis of the metal alkoxide or its condensate (B) may be left as the aqueous coating composition of the present invention, and may be left or heated under various methods, for example, under reduced pressure. Then, after removing the alcohol, an aqueous coating composition may be obtained.

本発明の水性塗料組成物には、本発明の効果を妨げない範囲で、各種の増粘剤、濡れ剤、チキソ剤などの添加剤、あるいはフィラー等を加えても良い。更に、前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)中の官能基と反応するような架橋剤、例えば、ポリエポキシ化合物や、ジアルデヒド化合物、ジカルボン酸化合物といった架橋剤を併用しても良い。   Various additives such as thickeners, wetting agents, thixotropic agents, fillers, and the like may be added to the aqueous coating composition of the present invention as long as the effects of the present invention are not hindered. Furthermore, a crosslinking agent that reacts with a functional group in the cationic polyurethane resin (A), for example, a crosslinking agent such as a polyepoxy compound, a dialdehyde compound, or a dicarboxylic acid compound may be used in combination.

また、本発明の水性塗料組成物は、クリアー塗料組成物として用いることもできるが、各種顔料分散体、染料などを混入して、着色塗料用組成物としても用いることができる。   The aqueous coating composition of the present invention can be used as a clear coating composition, but can also be used as a colored coating composition by mixing various pigment dispersions and dyes.

本発明の水性塗料組成物の不揮発分としては、特に限定されるものではないが、10質量%以上、50質量%以下であることが、保存安定性が良好である点から好ましい。   The nonvolatile content of the aqueous coating composition of the present invention is not particularly limited, but it is preferably 10% by mass or more and 50% by mass or less from the viewpoint of good storage stability.

本発明の水性塗料組成物の機材への塗工方法に関しては、特に限定されるものではないが、例を挙げるならば、エアースプレー法、フローコーター法、ロールコーター法などの各種の塗工方法で塗装することができる。   The method for coating the water-based coating composition of the present invention on the equipment is not particularly limited, but examples include various coating methods such as an air spray method, a flow coater method, and a roll coater method. Can be painted with.

本発明の水性塗料組成物の塗装対象は、特に限定されるものではなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム及びその他の金属、ABS、ポリカーボネート、PMMA、PET、ポリスチレンといったプラスチック類、ガラス、木材、セメント及びその他の基板、あるいは、粒状体、繊維状体のものの表面に皮膜を形成する目的で用いることができる。   The coating object of the water-based coating composition of the present invention is not particularly limited. For example, iron, stainless steel, aluminum and other metals, ABS, polycarbonate, PMMA, PET, polystyrene and other plastics, glass, wood, cement In addition, it can be used for the purpose of forming a film on the surface of another substrate, or a granular or fibrous body.

さらに、基材への密着性向上、基材の着色、基材の保護などを目的として、各種プライマー、シール剤、アンダーコート等を前記各種基材に塗装したのち、本発明の水性塗料組成物を塗装することもできる。   Furthermore, for the purpose of improving adhesion to the substrate, coloring the substrate, protecting the substrate, and the like, after coating the various substrates with various primers, sealants, undercoats, etc., the aqueous coating composition of the present invention Can also be painted.

また、塗装後の乾燥条件としては特に限定されるものではないが、20℃〜250℃の間で乾燥させることが好ましく、60℃〜200℃の間で乾燥させることがさらに好ましい。   Moreover, it is although it does not specifically limit as drying conditions after coating, It is preferable to dry between 20 to 250 degreeC, and it is more preferable to dry between 60 to 200 degreeC.

本発明の有機無機複合塗膜は、金属酸化物(B’)からなるマトリクス中に、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の粒子が分散していることを特徴とする。   The organic / inorganic composite coating film of the present invention is characterized in that particles of the cationic polyurethane resin (A) are dispersed in a matrix made of a metal oxide (B ′).

前記金属酸化物(B’)は、前述の金属アルコキシド又はその縮合物(B)の加水分解・縮合反応によって得られるものであり、該複合塗膜中では、マトリクスを形成している。これは、前述のようにカチオン性ポリウレタン樹脂(A)が水性分散体中で形成する微粒子の表面を取り囲むように金属ゲルが濃縮されているため、水性媒体が揮発した後は、近接する微粒子の該表面の金属ゲルが架橋することによって形成されるものである。したがって、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の微粒子同士は凝縮することがなく、有機無機複合塗膜中で分散していることになる。これは、添付した図面(電子顕微鏡写真)によって明らかである。   The metal oxide (B ′) is obtained by hydrolysis / condensation reaction of the metal alkoxide or the condensate (B) described above, and forms a matrix in the composite coating film. This is because the metal gel is concentrated so that the cationic polyurethane resin (A) surrounds the surface of the fine particles formed in the aqueous dispersion as described above. It is formed by crosslinking the metal gel on the surface. Accordingly, the fine particles of the cationic polyurethane resin (A) are not condensed and are dispersed in the organic-inorganic composite coating film. This is apparent from the attached drawing (electron micrograph).

本発明の有機無機複合塗膜の製造方法は、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水分散体に酸触媒(C)を添加した後、金属アルコキシド又はその縮合物(B)を加えて得られる水性塗料組成物を基板上に塗布し、乾燥することで、カチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子が、金属酸化物(B’)からなるマトリクス中に分散している複合塗膜を作製することを特徴とする。該製造方法は、特別な装置を必要とせず、また、空気中の水分等を利用しない点から、環境依存性がなく、したがって応用範囲に制限されることがないため、工業的に簡便で有用なものである。   The method for producing an organic-inorganic composite coating film of the present invention is an aqueous solution obtained by adding an acid catalyst (C) to an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) and then adding a metal alkoxide or a condensate (B) thereof. Applying a coating composition on a substrate and drying to produce a composite coating film in which particles made of a cationic polyurethane resin (A) are dispersed in a matrix made of a metal oxide (B ′) It is characterized by. The manufacturing method is industrially simple and useful because it does not require any special equipment and does not use moisture in the air, so it has no environmental dependency and is therefore not limited to the application range. It is a thing.

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例のみに限定されるものではない。特に断らない限り、「部」及び「%」は、「質量部」及び「質量%」を表す。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples. Unless otherwise specified, “parts” and “%” represent “parts by mass” and “mass%”.

(合成例1)カチオン性ウレタン樹脂(A−1)の水分散体の調製
温度計、撹拌装置、還流冷却管及び滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ポリプロピレングリコール−ジグリシジルエーテル(エポキシ当量201g/当量)590部を仕込んだ後、フラスコ内を窒素置換した。次いで、前記フラスコ内の温度が70℃になるまでオイルバスを用いて加熱した後、滴下装置を使用してジ−n−ブチルアミン378部を30分間で滴下し、滴下終了後、90℃で10時間反応させた。反応終了後、赤外分光光度計(FT/IR−460Plus、日本分光株式会社製)を用いて、反応生成物のエポキシ基に起因する842cm−1付近の吸収ピークが消失していることを確認し、3級アミノ基含有ポリオール(アミン当量339g/当量、水酸基当量339g/当量)を得た。
(Synthesis example 1) Preparation of aqueous dispersion of cationic urethane resin (A-1) Polypropylene glycol-diglycidyl ether (epoxy equivalent) was added to a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirring device, a reflux condenser, and a dropping device. (201 g / equivalent) 590 parts were charged, and the atmosphere in the flask was replaced with nitrogen. Subsequently, after heating using the oil bath until the temperature in the said flask becomes 70 degreeC, 378 parts of di-n-butylamine is dripped in 30 minutes using a dripping apparatus, and 10 degreeC is 90 degreeC after completion | finish of dripping. Reacted for hours. After completion of the reaction, using an infrared spectrophotometer (FT / IR-460Plus, manufactured by JASCO Corporation), it is confirmed that the absorption peak near 842 cm −1 due to the epoxy group of the reaction product has disappeared. A tertiary amino group-containing polyol (amine equivalent 339 g / equivalent, hydroxyl equivalent 339 g / equivalent) was obtained.

温度計、撹拌装置、還流冷却管及び滴下装置を備えた4ツ口フラスコ内で、ニッポラン980R〔日本ポリウレタン工業株式会社製ポリカーボネートポリオール、分子量2000〕500部と、ネオペンチルグリコール/1,4−ブタンジオール/テレフタル酸/アジピン酸からなるポリエステルポリオール(分子量2000)500部とを、酢酸エチル558部に溶解した。次いで、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート236部とオクチル酸第一錫0.2部を加え、75℃で2時間反応させた後、前記3級アミノ基含有ポリオール66.2部を添加し、4時間反応させることにより、末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを得た。次いで、前記ウレタンプレポリマー溶液に酢酸エチル478部とイソプロピルアルコール918部とを加えて均一混合した後、80%水和ヒドラジン17部を加え、鎖伸長反応を1時間行った。次いで氷酢酸11.7部を添加して中和した後、イオン交換水3610部を滴下することにより水分散化を行い、更に引き続いて減圧下脱溶剤することにより、不揮発分35%で、pH4.2、粒子径0.2μm(大塚電子株式会社製粒径アナライザーFPAR−1000により測定。)、カチオン当量0.15当量/kgのカチオン性ポリウレタン樹脂(A−1)の水分散体を得た。   In a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, 500 parts of Nipponran 980R [Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd., Polycarbonate polyol, molecular weight 2000], neopentyl glycol / 1,4-butane 500 parts of a polyester polyol (molecular weight 2000) composed of diol / terephthalic acid / adipic acid was dissolved in 558 parts of ethyl acetate. Next, after adding 236 parts of 4,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate and 0.2 part of stannous octylate and reacting at 75 ° C. for 2 hours, 66.2 parts of the tertiary amino group-containing polyol was added, By making it react for 4 hours, the urethane prepolymer which has an isocyanate group at the terminal was obtained. Next, 478 parts of ethyl acetate and 918 parts of isopropyl alcohol were added to the urethane prepolymer solution and mixed uniformly, and then 17 parts of 80% hydrated hydrazine was added to carry out a chain extension reaction for 1 hour. Next, 11.7 parts of glacial acetic acid was added for neutralization, and 3610 parts of ion-exchanged water was added dropwise to carry out water dispersion, followed by desolvation under reduced pressure to obtain a non-volatile content of 35% and a pH of 4 .2, an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A-1) having a particle size of 0.2 μm (measured by a particle size analyzer FPAR-1000 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) and a cation equivalent of 0.15 equivalent / kg was obtained. .

(合成例2)カチオン性ポリウレタン樹脂(A−2)の水分散体の調製
温度計、撹拌装置、還流冷却管及び滴下装置を備えた4ツ口フラスコ内で、ニッポラン980R 1000部を、酢酸エチル600部に溶解した。次いで、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート262部とオクチル酸第一錫0.2部を加え、75℃で2時間反応させた後、前記3級アミノ基含有ポリオール95部を添加し4時間反応させた後、60℃に冷却し、Z−6011〔東レダウコーニング社製γ―アミノプロピルトリエトキシシラン〕44部を添加して、更に1時間反応させることにより、末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを得た。次いで、前記ウレタンプレポリマー溶液に酢酸エチル515部とイソプロピルアルコール986部とを加えて均一混合した後、80%水和ヒドラジン15部を加え、鎖伸長反応を1時間行った。次いで氷酢酸16.8部を添加して中和した後、イオン交換水3800部を滴下することにより水分散化を行い、更に引き続いて減圧下脱溶剤することにより、不揮発分35%で、pH4.1、粒子径0.15μm、カチオン当量0.2当量/kgのカチオン性ウレタン樹脂(A−2)の水分散体を得た。
(Synthesis example 2) Preparation of aqueous dispersion of cationic polyurethane resin (A-2) In a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirring device, a reflux condenser, and a dropping device, 1000 parts of Nippolan 980R were mixed with ethyl acetate. Dissolved in 600 parts. Next, 262 parts of 4,4′-dicyclohexylmethane diisocyanate and 0.2 part of stannous octylate were added and reacted at 75 ° C. for 2 hours, and then 95 parts of the tertiary amino group-containing polyol was added and reacted for 4 hours. After cooling to 60 ° C., 44 parts of Z-6011 [γ-aminopropyltriethoxysilane manufactured by Toray Dow Corning Co., Ltd.] was added, and the mixture was further reacted for 1 hour to make a urethane prepolymer having an isocyanate group at the terminal. A polymer was obtained. Next, 515 parts of ethyl acetate and 986 parts of isopropyl alcohol were added to the urethane prepolymer solution and mixed uniformly, and then 15 parts of 80% hydrated hydrazine was added to carry out a chain extension reaction for 1 hour. Next, after 16.8 parts of glacial acetic acid was added for neutralization, 3800 parts of ion-exchanged water was added dropwise to carry out water dispersion, followed by desolvation under reduced pressure to obtain a non-volatile content of 35% and a pH of 4 An aqueous dispersion of a cationic urethane resin (A-2) having a particle diameter of 0.15 μm and a cation equivalent of 0.2 equivalent / kg was obtained.

(合成例3)カチオン性ポリウレタン樹脂(A−3)の水分散体の調製
温度計、撹拌装置、還流冷却管及び滴下装置を備えた4ツ口フラスコ内で、ニッポラン980R 640部を、メチルエチルケトン390部に溶解した。次いで、イソホロンジイソシアネート133部とオクチル酸第一錫0.2部を加え、75℃で2時間反応させた後、前記3級アミノ基含有ポリオールを122部を添加し4時間反応させた後、60℃に冷却し、Z−6011 22部を添加して、1時間反応させることにより、末端にイソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを得た。次いで、前記ウレタンプレポリマー溶液にジメチル硫酸45部を加えて更に60℃で2時間反応させて4級化した後、イオン交換水2080部を滴下することにより水分散化を行い、更に引き続いて減圧下脱溶剤することにより、不揮発分35%で、pH6.5、粒子径0.05μm、カチオン当量0.39当量/kgのカチオン性ポリウレタン樹脂粒子(A−3)の水分散体を得た。
Synthesis Example 3 Preparation of Aqueous Dispersion of Cationic Polyurethane Resin (A-3) In a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dripping device, 640 parts of Nippolan 980R were added to methyl ethyl ketone 390. Dissolved in the part. Next, 133 parts of isophorone diisocyanate and 0.2 part of stannous octylate were added and reacted at 75 ° C. for 2 hours, and then 122 parts of the tertiary amino group-containing polyol was added and reacted for 4 hours. After cooling to ° C., 22 parts of Z-6011 were added and reacted for 1 hour to obtain a urethane prepolymer having an isocyanate group at the terminal. Next, 45 parts of dimethylsulfuric acid was added to the urethane prepolymer solution, and the mixture was further reacted at 60 ° C. for 2 hours for quaternization. Then, 2080 parts of ion-exchanged water was added dropwise to carry out water dispersion, followed by reduced pressure. By removing the solvent under water, an aqueous dispersion of cationic polyurethane resin particles (A-3) having a nonvolatile content of 35%, pH 6.5, particle diameter of 0.05 μm, and cation equivalent of 0.39 equivalent / kg was obtained.

(比較合成例1)
攪拌機、温度計、還流冷却管および不活性ガスの送入管と排出管とを備えた反応容器に116部のヘキサメチレンジアミンを仕込み、窒素雰囲気下で攪拌しながら50℃に保ち、210部のプロピレンカーボネートを約一時間かけてゆっくりと滴下した。反応容器を90〜100℃に保ちながら20時間反応させたところ、白色ワックス状の軟固体である、ヘキサメチレンジアミンのビスヒドロキシカルバメート(以下、A’−1と称す)を得た。酸滴定の結果、アミン含量は0.1%以下であった。
(Comparative Synthesis Example 1)
A reaction vessel equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser and inert gas inlet and outlet was charged with 116 parts of hexamethylenediamine and maintained at 50 ° C. with stirring under a nitrogen atmosphere. Propylene carbonate was slowly added dropwise over about 1 hour. When the reaction vessel was kept at 90 to 100 ° C. for 20 hours, hexamethylenediamine bishydroxycarbamate (hereinafter referred to as A′-1), which was a white waxy soft solid, was obtained. As a result of acid titration, the amine content was 0.1% or less.

[塗料組成物]
(実施例1)
合成例1で得られたカチオン性ウレタン樹脂(A−1)の水分散体20部、イオン交換水5部、2−プロパノール(以下、IPAと称す)8部を撹拌混合した後、10%マレイン酸水溶液7部を徐々に滴下した。このときの混合液のPHは1.6であった。引き続き、撹拌しながらテトラメトキシシラン縮合物(メチルシリケート51:多摩化学工業株式会社製品。以下、MS−51と称す。)14.4部と3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(以下、GPTMSと称す。)4.3部からなる混合液を徐々に加えて、一時間攪拌し、水性塗料組成物(1)を得た。
[Coating composition]
Example 1
After stirring and mixing 20 parts of an aqueous dispersion of the cationic urethane resin (A-1) obtained in Synthesis Example 1, 5 parts of ion-exchanged water, and 8 parts of 2-propanol (hereinafter referred to as IPA), 10% malee 7 parts of an acid aqueous solution was gradually added dropwise. The pH of the mixed solution at this time was 1.6. Subsequently, 14.4 parts of tetramethoxysilane condensate (methyl silicate 51: product of Tama Chemical Industry Co., Ltd., hereinafter referred to as MS-51) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (hereinafter referred to as GPTMS) are stirred. The mixed liquid consisting of 4.3 parts was gradually added and stirred for 1 hour to obtain an aqueous coating composition (1).

(実施例2〜15)
実施例1と同様に、表1〜2の配合で水性塗料組成物を調整し、水性塗料組成物(2)〜(15)を得た。
(Examples 2 to 15)
In the same manner as in Example 1, water-based coating compositions were prepared with the formulations shown in Tables 1 and 2 to obtain water-based coating compositions (2) to (15).

(比較例1)
比較合成例1で合成した、水酸基含有ポリマーA’−1を15部、イオン交換水を15部、メタノール5部を混合した溶液に、テトラエトキシシラン(以下、TEOSと称す。)20部、硬化剤として、メラミン樹脂サイメル303(サイテック株式会社製)0.5部を加えて均一溶液を作成した。この溶液に、触媒として0.3部の濃塩酸を加えて、約30℃で一時間加熱し、比較用の水性塗料組成物(1’)を得た。
(Comparative Example 1)
20 parts of tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS) and curing were added to a solution obtained by mixing 15 parts of the hydroxyl group-containing polymer A′-1 synthesized in Comparative Synthesis Example 1, 15 parts of ion-exchanged water, and 5 parts of methanol. As an agent, 0.5 part of melamine resin Cymel 303 (manufactured by Cytec Corporation) was added to prepare a uniform solution. To this solution, 0.3 part of concentrated hydrochloric acid as a catalyst was added and heated at about 30 ° C. for 1 hour to obtain a comparative aqueous coating composition (1 ′).

(水性塗料組成物の安定性評価方法)
実施例1〜15、及び比較例1で得られた水性塗料組成物を23℃で保管したときの塗液状態を目視で観察し、ゲル化が起こるまでの日数を記載した。
(Stability evaluation method of water-based paint composition)
The coating liquid state when the water-based coating compositions obtained in Examples 1 to 15 and Comparative Example 1 were stored at 23 ° C. was visually observed, and the number of days until gelation occurred was described.

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表1〜2の脚注
(A)/(B1):カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の質量と金属アルコキシド又はその縮合物(B)の加水分解縮合後の質量(B1)との比
MTMS:メチルトリメトキシシラン
Footnotes in Tables 1 and 2 (A) / (B1): Ratio of the mass of the cationic polyurethane resin (A) to the mass (B1) after hydrolysis condensation of the metal alkoxide or its condensate (B) MTMS: Methyltri Methoxysilane

表3の脚注
(A’)/(B1):(A’−1)の質量と金属アルコキシド(B)の加水分解縮合後の質量(B1)との比
TEOS:テトラエトキシシラン
Footnotes in Table 3 (A ′) / (B1): Ratio of the mass of (A′-1) to the mass after hydrolysis condensation of the metal alkoxide (B) (B1) TEOS: Tetraethoxysilane

[塗膜]
(実施例16〜30)
実施例1〜15で得た水性塗料組成物(1)〜(15)を、ポリカーボネートフィルム(三菱ガス化学株式会社製、製品名ユーピロン、膜厚100μm)上に塗布後、130℃で30分乾燥させ、膜厚約5μmの有機無機複合塗膜(塗膜1〜塗膜15)を得た。
[Coating]
(Examples 16 to 30)
The aqueous paint compositions (1) to (15) obtained in Examples 1 to 15 were applied on a polycarbonate film (product name: Iupilon, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., film thickness: 100 μm) and then dried at 130 ° C. for 30 minutes. An organic-inorganic composite coating film (coating film 1 to coating film 15) having a film thickness of about 5 μm was obtained.

(比較例2)
比較例1で得た水性塗料組成物を、ポリカーボネートフィルム(三菱ガス化学株式会社製、製品名ユーピロン、膜厚100μm)上に塗布後、130℃で30分乾燥させ、膜厚約5μmの比較有機無機複合塗膜(比較塗膜1’)を得た。
(Comparative Example 2)
The aqueous coating composition obtained in Comparative Example 1 was applied onto a polycarbonate film (Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., product name Iupilon, film thickness: 100 μm) and then dried at 130 ° C. for 30 minutes, and a comparative organic film having a film thickness of about 5 μm. An inorganic composite coating film (comparative coating film 1 ') was obtained.

(実施例31〜33)
実施例2、10、及び13で得た水性塗料組成物(2)、(10)、及び(13)をポリカーボネートフィルム(三菱ガス化学株式会社製、製品名ユーピロン、膜厚100μm)上に塗布後、80℃で30分乾燥させ、膜厚約5μmの有機無機複合塗膜(塗膜16〜塗膜18)を得た。
(Examples 31-33)
After applying the aqueous coating compositions (2), (10), and (13) obtained in Examples 2, 10, and 13 on a polycarbonate film (Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., product name Iupilon, film thickness 100 μm) And dried at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an organic-inorganic composite coating film (coating film 16 to coating film 18) having a film thickness of about 5 μm.

(実施例34〜36)
実施例2、10、及び13で得た水性塗料組成物(2)、(10)、及び(13)をポリカーボネートフィルム(三菱ガス化学株式会社製、製品名ユーピロン、膜厚100μm)上に塗布後、23℃で24時間乾燥させ、膜厚約5μmの有機無機複合塗膜(塗膜19〜塗膜21)を得た。
(Examples 34 to 36)
After applying the aqueous coating compositions (2), (10), and (13) obtained in Examples 2, 10, and 13 on a polycarbonate film (Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., product name Iupilon, film thickness 100 μm) And dried at 23 ° C. for 24 hours to obtain an organic-inorganic composite coating film (coating film 19 to coating film 21) having a film thickness of about 5 μm.

得られた塗膜1〜21及び比較塗膜1’の物性測定結果を表4〜8に示す。なお、塗膜の評価は以下の手法により行った。   The physical property measurement results of the obtained coating films 1 to 21 and comparative coating film 1 'are shown in Tables 4 to 8. The coating film was evaluated by the following method.

(耐磨耗性)
学振式磨耗試験機(大栄科学精器製作所製品、RT−200)にて評価を行った。磨耗体:スチールウール(日本スチールウール株式会社製、商品名ボンスター、品番No.0000)、荷重:500g、往復回数:250回。表の数字は、試験前後の塗膜の濁度の差を数値化したものであり、数字が少ないほど耐磨耗性が良好であることを示す。
(Abrasion resistance)
Evaluation was performed using a Gakushin type abrasion tester (Daiei Scientific Instruments Seisakusho, RT-200). Wear body: Steel wool (made by Nippon Steel Wool Co., Ltd., trade name Bonster, product number No. 0000), load: 500 g, number of reciprocations: 250 times. The numbers in the table are obtained by quantifying the difference in turbidity of the coating film before and after the test, and the smaller the number, the better the wear resistance.

(耐水性)
40℃温水中に塗膜を浸漬し、塗膜の表面状態変化の有無を目視で判定した。
◎:2週間浸漬後、変化なし。
○:一週間浸漬後、変化なし。
×:一週間浸漬後、塗膜の白化または割れが発生した。
(water resistant)
The coating film was immersed in warm water at 40 ° C., and the presence or absence of a change in the surface state of the coating film was visually determined.
A: No change after 2 weeks immersion.
○: No change after one week immersion.
X: The film was whitened or cracked after being immersed for one week.

(塗膜状態)
塗膜の状態を目視で評価した。
○:塗膜が透明。
×:塗膜に割れを生じた。
(Coating state)
The state of the coating film was visually evaluated.
○: The coating film is transparent.
X: The coating film was cracked.

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実施例28で得られた有機無機複合塗膜13の断面を透過型電子顕微鏡(JEM−2200FS、日本電子株式会社製)にて観測を行い、得られた画像を図1に示した。これより、塗膜中にカチオン性樹脂の微粒子が均一に分散している様子を確認することができる。その他の実施例で得られた塗膜についても、同様にカチオン性樹脂の微粒子が分散していることを確認した。   The cross section of the organic-inorganic composite coating film 13 obtained in Example 28 was observed with a transmission electron microscope (JEM-2200FS, manufactured by JEOL Ltd.), and the obtained image is shown in FIG. From this, it can be confirmed that the fine particles of the cationic resin are uniformly dispersed in the coating film. Similarly, it was confirmed that fine particles of the cationic resin were dispersed in the coating films obtained in other examples.

実施例28によって得られた有機無機複合塗膜13の断面構造の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of the cross-sectional structure of an organic-inorganic composite coating film 13 obtained in Example 28. FIG.

Claims (10)

下記一般式[I]
Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体と、金属アルコキシド又はその縮合物(B)と、酸触媒(C)とを含有することを特徴とする水性塗料組成物。
The following general formula [I]
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An aqueous coating composition comprising an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) containing a structural unit represented by formula (I), a metal alkoxide or a condensate thereof (B), and an acid catalyst (C). .
前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)が、脂環式ポリイソシアネート及び/又は脂肪族ポリイソシアネートに由来する構造単位を有する樹脂である請求項1記載の水性塗料組成物。 The aqueous paint composition according to claim 1, wherein the cationic polyurethane resin (A) is a resin having a structural unit derived from an alicyclic polyisocyanate and / or an aliphatic polyisocyanate. 前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)が、更に下記一般式(II)
Figure 0004099726
〔式(II)中、Rは水素原子、アルキル基、アリール基又はアラルキル基であり、Rはハロゲン原子、アルコキシ基、アシルオキシ基、フェノキシ基、イミノオキシ基又はアルケニルオキシ基であり、nは0、1又は2である。〕
で表される構造単位を含有する請求項1記載の水性塗料組成物。
The cationic polyurethane resin (A) is further represented by the following general formula (II)
Figure 0004099726
[In the formula (II), R 5 is a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or an aralkyl group, R 6 is a halogen atom, an alkoxy group, an acyloxy group, a phenoxy group, an iminooxy group or an alkenyloxy group, and n is 0, 1 or 2. ]
The water-based coating composition of Claim 1 containing the structural unit represented by these.
前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)が、下記一般式[III]
Figure 0004099726
(式中、Rは水素原子、アルキル基、アリール基及びアラルキル基からなる群より選ばれる一価の有機残基を、Rはハロゲン原子、アルコキシル基、アシルオキシ基、フェノキシ基、イミノオキシ基又はアルケニルオキシ基であり、nは0、1又は2であり、Yは活性水素基を少なくとも1個以上含有する有機基である。)
で表される化合物とイソシアネート化合物とを反応させて得られる構造単位を有する樹脂である請求項3記載の水性塗料組成物。
The cationic polyurethane resin (A) is represented by the following general formula [III]
Figure 0004099726
Wherein R 5 is a monovalent organic residue selected from the group consisting of a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group and an aralkyl group, and R 6 is a halogen atom, an alkoxyl group, an acyloxy group, a phenoxy group, an iminooxy group or An alkenyloxy group, n is 0, 1 or 2, and Y is an organic group containing at least one active hydrogen group.
The aqueous coating composition according to claim 3, which is a resin having a structural unit obtained by reacting a compound represented by formula (I) with an isocyanate compound.
前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体における該カチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子の平均粒子径が0.01〜0.4μmの範囲である請求項1記載の水性塗料組成物。 The water-based coating composition according to claim 1, wherein an average particle diameter of particles made of the cationic polyurethane resin (A) in the aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A) is in a range of 0.01 to 0.4 µm. 前記金属アルコキシド又はその縮合物(B)が、珪素アルコキシド又はその縮合物である請求項1記載の水性塗料組成物。 The aqueous coating composition according to claim 1, wherein the metal alkoxide or the condensate thereof (B) is a silicon alkoxide or a condensate thereof. 前記カチオン性ポリウレタン樹脂(A)の質量と金属アルコキシド又はその縮合物(B)の加水分解縮合後の質量(B1)との比が、(A)/(B1)で表される質量比で10/90〜70/30の範囲である請求項1〜6の何れか一項記載の水性塗料組成物。 The ratio of the mass of the cationic polyurethane resin (A) to the mass (B1) after hydrolytic condensation of the metal alkoxide or its condensate (B) is 10 by mass ratio represented by (A) / (B1). It is the range of / 90-70 / 30, The water-based coating composition as described in any one of Claims 1-6. 請求項1に記載の水性塗料組成物を用いて得られる有機無機複合塗膜であって、金属酸化物(B’)からなるマトリクス中に、下記一般式[I]
Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子が分散していることを特徴とする有機無機複合塗膜。
An organic-inorganic composite coating film obtained by using the water-based coating composition according to claim 1, wherein the matrix of the metal oxide (B ') has the following general formula [I]:
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An organic-inorganic composite coating film in which particles comprising a cationic polyurethane resin (A) containing a structural unit represented by formula (A) are dispersed.
下記一般式[I]
Figure 0004099726
〔式(I)中、Rは脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、R及びRは、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、Rは水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、Xはアニオン性の対イオンである。〕
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体に酸触媒(C)を添加した後、金属アルコキシド又はその縮合物(B)を加えて得られる水性塗料組成物を基板上に塗布し、乾燥することで、該カチオン性ポリウレタン樹脂(A)からなる粒子が、金属酸化物(B’)からなるマトリクス中に分散している複合塗膜を作製することを特徴とする有機無機複合塗膜の製造方法。
The following general formula [I]
Figure 0004099726
[In Formula (I), R 1 is an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 and R 3 are independent of each other. An alkyl group which may contain an aliphatic cyclic structure, R 4 is a hydrogen atom or a residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X is an anionic counter ion is there. ]
An aqueous coating composition obtained by adding an acid catalyst (C) to an aqueous dispersion of a cationic polyurethane resin (A) containing the structural unit represented by formula (A) and then adding a metal alkoxide or a condensate (B) thereof is used as a substrate. The composite coating film in which the particles made of the cationic polyurethane resin (A) are dispersed in the matrix made of the metal oxide (B ′) is prepared by applying the coating onto the substrate and drying. A method for producing an organic-inorganic composite coating film.
下記一般式[I]The following general formula [I]
Figure 0004099726
Figure 0004099726
〔式(I)中、R[In formula (I), R 1 は脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキレン鎖、2価フェノール類の残基、又はポリオキシアルキレン鎖であり、RIs an alkylene chain which may contain an aliphatic cyclic structure, a residue of a dihydric phenol, or a polyoxyalkylene chain, and R 2 及びRAnd R 3 は、互いに独立して脂肪族環式構造を含んでいてもよいアルキル基であり、RAre alkyl groups which may contain an aliphatic cyclic structure independently of each other, and R 4 は水素原子又は4級化反応により導入された4級化剤の残基であり、XIs a hydrogen atom or the residue of a quaternizing agent introduced by a quaternization reaction, X はアニオン性の対イオンである。〕Is an anionic counterion. ]
で示される構造単位を含有するカチオン性ポリウレタン樹脂(A)の水性分散体と酸触媒(C)とを混合し均一化してpHを1.0〜3.0と調製した後、金属アルコキシド又はその縮合物(B)を混合することを特徴とする水性塗料組成物の製造方法。The aqueous dispersion of the cationic polyurethane resin (A) containing the structural unit represented by the above and the acid catalyst (C) are mixed and homogenized to adjust the pH to 1.0 to 3.0, and then the metal alkoxide or its A method for producing an aqueous coating composition, comprising mixing the condensate (B).
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