JP4385537B2 - 熱硬化性組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、オキセタン環を有する化合物と酸無水物を含む熱硬化性組成物に関する。この熱硬化性組成物は、硬化反応(分子間架橋)により、優れた機械的性質(引張強度、硬度など)、電気的性質(絶縁性など)、接着性、耐熱性、耐湿性、耐薬品性などを示す、不溶不融の三次元構造の硬化物を形成するものであり、エポキシ樹脂の代替品として、塗料、コーティング剤、接着剤、電気絶縁材料、封止材料、積層板、コンクリート構造物補修、補強鋼板接着などの分野への使用が大いに期待できる。
【0002】
【従来の技術】
オキセタン環を有する化合物と酸無水物を含む熱硬化性組成物としては、分子中に1〜4個のオキセタン環を有する化合物(A)、官能性酸無水物又は遊離酸無水物(B)、第四オニウム塩(C)を含んでなる熱硬化性組成物が知られている(特開平11−60702号公報)。しかしながら、この組成物は熱硬化速度の点で満足できるものではなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱硬化速度が優れている、オキセタン環を有する化合物と酸無水物を含む熱硬化性組成物を提供することを課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、オキセタン環を有する化合物、酸無水物、及びスズのカルボン酸塩を含んでなる熱硬化性組成物により解決される。
【0005】
【発明の実施の形態】
〔オキセタン環を有する化合物〕
本発明の熱硬化性組成物において、オキセタン環を有する化合物としては、分子中に1〜4個のオキセタン環を有する化合物が好ましい。分子中に1〜4個のオキセタン環を有する化合物には、分子中に1個のオキセタン環を有する化合物、分子中に2個のオキセタン環を有する化合物、分子中に3又は4個のオキセタン環を有する化合物を単独で使用しても、複数で使用しても差し支えない。
【0006】
分子中に1〜4個のオキセタン環を有する化合物のうち、分子中に1個のオキセタン環を有する化合物としては、化学式(1)で表される化合物が好ましく挙げられる(式中、R1は、水素原子、或いは、炭素数1〜6の直鎖状又は分岐状アルキル基を表す。)。
【0007】
【化1】
【0008】
分子中に1個のオキセタン環を有する化合物として、具体的には、3−ヒドロキシメチルオキセタンや、3−メチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン等の3−アルキル−3−ヒドロキシメチルオキセタンが好ましく挙げられるが、中でも3−メチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタンが好ましい。なお、前記の炭素数1〜6の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基としては、メチル基,エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基などが挙げられる。
【0009】
分子中に2個のオキセタン環を有する化合物の中では、化学式(2)で表される化合物が好ましく挙げられる(式中、R2は前記R1と同様の基であり、R3は2価の基を表す。)。
【0010】
【化2】
【0011】
前記の2価の基R3としては、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基、ヘキサメチレン基、1,2−プロピレン基、1,2−ブチレン基、1,3−ブチレン基、2,3−ブチレン基等の炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基や、プロペニレン基、ブテニレン基等の炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルケニレン基や、
【0012】
化学式(3)で表される2価の芳香族炭化水素基(式中、R4は、水素原子、炭素数1〜4の直鎖状又は分岐状アルキル基、炭素数1〜4の直鎖状又は分岐状アルコキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、メルカプト基、炭素数1〜4の直鎖状又は分岐状アルコキシカルボニル基、カルボキシル基、或いは、炭素数1〜5の直鎖状又は分岐状N−アルキルカルバモイル基を表す。)、
【0013】
【化3】
【0014】
又は化学式(4)で表される2価の芳香族炭化水素基(式中、R5は、−O−基、−S−基、−CH2−基、−NH−基、−SO−基、−SO2−基、−C(CF3)3−基、又は、−C(CH3)3−基を表す。)や、
【0015】
【化4】
【0016】
カルボニル基や、化学式(5)で表されるカルボニル基を含有する2価のアルキレン基(式中、nは1〜20の整数を表す。)や、化学式(6)で表されるカルボニル基を含有する2価の脂環式炭化水素基や、化学式(7)で表されるカルボニル基を含有する2価の芳香族炭化水素基や、
【0017】
【化5】
【0018】
【化6】
【0019】
【化7】
【0020】
化学式(8)で表される2価の基(式中、Yは、置換されていてもよい炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基、次式で表される置換されていてもよい2価の脂環式炭化水素基のいずれか、或いは、次式で表される置換されていてもよい2価のアリ−レン基のいずれかを表す。)などが好ましく挙げられる。
【0021】
【化8】
【0022】
【化9】
【0023】
【化10】
【0024】
分子中に2個のオキセタン環を有する化合物の中では、化学式(2)において、R2がメチル基又はエチル基であるものが好ましく、更に、R3が、炭素数1〜12の直鎖状アルキレン基、又はR4が水素原子である化学式(3)で表される2価の芳香族炭化水素基であるものが好ましい。具体的には、例えば、以下の化合物が好ましいものとして挙げられる。
【0025】
【化11】
【0026】
分子中に3〜4個のオキセタン環を有する化合物としては、化学式(9)で表される化合物が好ましく挙げられる(式中、R5は前記R1と同様の基で、R6は、置換されていてもよい3又は4価の炭化水素基、化学式(10)で表される基、或いは、化学式(11)で表される基を表す。mは3又は4である。)。
【0027】
【化12】
【0028】
【化13】
(式中、Z1は、置換されていてもよい、3又は4価の、脂肪族、脂環式、或いは芳香族炭化水素基を表す。pは3又は4である。)
【0029】
【化14】
(式中、Z2は、置換されていてもよい、3又は4価の、脂肪族、脂環式、或いは芳香族炭化水素基を表す。qは3又は4である。)
【0030】
前記R6としては、例えば、次式で表される炭素数1〜12の分岐状アルキレン基のいずれかを具体的に挙げることができる(式中、R7は、水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。)。
【0031】
【化15】
【0032】
前記Z1としては、例えば、次式で表される3価の芳香族炭化水素基のいずれかを具体的に挙げることができる。
【0033】
【化16】
【0034】
また、前記Z2としては、例えば、次式で表される3価の脂環式又は芳香族炭化水素基のいずれかを具体的に挙げることができる。
【0035】
【化17】
【0036】
【化18】
【0037】
分子中に3〜4個のオキセタン環を有する化合物の中では、前記化学式(9)において、R5がアルキル基であって、R6が、前記式で表される炭素数1〜12の分岐状アルキレン基のうちのR7を有する基であるもの、或いは、前記化学式(10)で表される基であるものが好ましい。更には、前記化学式(9)において、R5がエチル基であって、R6が、前記式で表される炭素数1〜12の分岐状アルキレン基のうちのR7がエチル基であるもの、或いは、前記化学式(10)においてpが3でZ1が次式で表される基であるものが好ましい。
【0038】
【化19】
【0039】
〔酸無水物〕
本発明の熱硬化性組成物において、酸無水物としては、化学式(12)で表される酸無水物基を有する官能性酸無水物(式中、kは1〜3の整数であり、R8は、k=1,2,3にそれぞれ対応して2,4,6の原子価を取り得る置換されていてもよい炭化水素基を表す。なお、置換されている炭化水素基は、主鎖の炭素原子の少なくとも一つが酸素原子等の他の原子で置換されているもの、或いは、主鎖又は側鎖の炭素原子に結合した水素原子の少なくとも一つが他の原子(酸素原子、ハロゲン原子等)もしくは他の置換基(アルキル基、ニトロ基等)で置換されているものをいう。)や、分子中にカルボキシル基と酸無水物基をそれぞれ1個以上有する遊離酸無水物が好ましく挙げられる。これら酸無水物は単独で使用しても、複数で使用しても差し支えない。
【0040】
【化20】
【0041】
前記官能性酸無水物としては、k=1で、R8が2価の炭化水素基である1官能性酸無水物、k=2で、R8が4価の炭化水素基である2官能性酸無水物、k=3で、R8が6価の炭化水素基である3官能性酸無水物が挙げられる。
【0042】
1官能性酸無水物はジカルボン酸から誘導される酸無水物であり、具体的には、無水コハク酸、ドデシル無水コハク酸、無水マレイン酸、無水グルタル酸、無水シトラコン酸、無水イタコン酸、無水グルタコン酸、無水ジグルコール酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、エンドシス−ビシクロ[2,2,1]ヘプト−5−エン−2,3−ジカルボン酸無水物(商品名:無水ナジック酸)、メチル−エンドシス−ビシクロ[2,2,1]ヘプト−5−エン−2,3−ジカルボン酸無水物(商品名:無水メチルナジック酸)、無水エンドメチレンテトラヒドロフタル酸、無水メチルエンドメチレンテトラヒドロフタル酸無水物、無水クロレンディック酸、無水フタル酸、無水ニトロフタル酸、無水ジフェン酸、無水ナフタル酸などが挙げられる。
【0043】
2官能性酸無水物はテトラカルボン酸から誘導される酸無水物であり、具体的には、無水ピロメリット酸、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、エチレングリコールビス(アンヒドロトリメート)、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロ−3−フラニル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物などが挙げられる。3官能性酸無水物はヘキサカルボン酸から誘導される酸無水物であり、具体的には、無水ヘキサヒドロメリト酸、無水メリト酸などが挙げられる。
【0044】
また、前記遊離酸無水物としては、β,γ−無水アコニット酸、無水グリコール酸、無水トリメリト酸、ポリアゼライン酸無水物などが具体的に挙げられる。
【0045】
酸無水物の中では、1官能性酸無水物(無水マレイン酸、無水フタル酸、無水ナジック酸、無水メチルナジック酸等)、2官能性酸無水物(無水ピロメリト酸等)が好ましい。
【0046】
〔スズのカルボン酸塩〕
本発明の熱硬化性組成物において、触媒として使用されるスズのカルボン酸塩としては、オクチル酸スズ、ラウリル酸スズ、ステアリン酸スズ、パルミチン酸スズ、ナフテン酸スズなどが挙げられる。スズのカルボン酸塩は単独で使用しても複数で使用しても差し支えなく、その中では、オクチル酸スズ、ラウリル酸スズ、ステアリン酸スズ、パルミチン酸スズ、ナフテン酸スズが好ましいが、中でもオクチル酸スズが好ましい。
【0047】
〔熱硬化性組成物〕
本発明の熱硬化性組成物は、前記の、オキセタン環を有する化合物、酸無水物、及びスズのカルボン酸塩を含んでなる。この組成物において、酸無水物は、オキセタン環を有する化合物に対して、以下の式で表される化学量論量の0.4〜2倍量、特に0.7〜1.5倍量使用することが好ましい。また、スズのカルボン酸塩は、オキセタン環を有する化合物に対して30重量%以下、特に2〜30重量%の割合で使用することが好ましい。
【0048】
なお、オキセタン環を有する化合物として、分子中に1個のオキセタン環を有する化合物を使用する場合は、数式(1)の関係が成立し、分子中に2〜4個のオキセタン環を有する化合物を使用する場合は、数式(2)の関係が成立する。
【0049】
N1=(3/2k)−[(4k−3)/2k] (1)(式中、kは、酸無水物中に含まれる酸無水物基の数を表し、前記化学式(12)におけるkと同じ意味である。N1は、分子中に1個のオキセタン環を有する化合物に対する酸無水物の化学量論量を表す。)
【0050】
N2=(k0/k)−[k0(k−1)/k]=k0(2−k)/k (2)(式中、kは前記と同様で、N2は、分子中に2〜4個のオキセタン環を有する化合物に対する酸無水物の化学量論量を表す。また、k0は、分子中に2〜4個のオキセタン環を有する化合物中に含まれるオキセタン環の数を表し、2、3、又は4である。)
【0051】
本発明の熱硬化性組成物は、水酸基含有化合物を更に含んでいてもよい。特に、オキセタン環を有する化合物が遊離の水酸基を含んでいない(前記の分子中に1個のオキセタン環を有する化合物でない)場合には、水酸基含有化合物を含んでいることが好ましい。水酸基含有化合物の含有量は、オキセタン環を有する化合物と酸無水物の合計量に対して、水酸基が0.05〜5重量%、特に0.1〜3重量%であることが好ましい。水酸基含有化合物は単独で使用しても複数で使用してもよい。
【0052】
前記水酸基含有化合物としては、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、オクタノール、ドデカノール等の炭素数3〜20の脂肪族1価アルコールや、シクロペンタノール、シクロヘキサノール等の脂環式1価アルコールや、ベンジルアルコール等の芳香脂肪族1価アルコールや、フェノール、クレゾール、キシレノール、ナフトール等の芳香族1価アルコールや、フルフリルアルコール等の複素環式1価アルコールや、
【0053】
エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,12−ドデカンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の脂肪族2価アルコールや、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等の脂環式2価アルコールや、フタリルアルコール、1,4−ジヒドロキシエチルベンゼン等の芳香脂肪族2価アルコールや、レゾルシン、カテコール、ヒドロキノン、ビスフェノールA等の芳香族2価アルコールや、
【0054】
グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスルトール等の脂肪族多価アルコールや、ピロガロール、フロログルシン等の芳香族多価アルコールや、チオグリコールや、水などが挙げられる。
水酸基含有化合物の中では、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、フェノールが好ましい。
【0055】
本発明では、前記水酸基含有化合物に代えて、酸無水物基の開環とカルボキシル基の生成を引き起こす化合物を、前記水酸基含有化合物と同様の割合で、単独又は複数で使用することもできる。
【0056】
このような化合物としては、例えば、n−ブチルアミン、n−ヘキシルアミン、n−オクチルアミン、、n−ドデシルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリン、ベンジルアミン、p−トルイジン等の1級アミン(モノアミン)や、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、ピペリジン、メチルアニリン、エチルアニリン、ジベンジルアミン、ジフェニルアミン等の2級アミン(モノアミン)や、
【0057】
ヒドラジン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、1,8−ジアミノオクタン、1,10−ジアミノドデカン、ピペラジン、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、p−フェニレンジアミン等のジアミンや、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン等のポリアミンや、1−アミノエタノール、2−アミノエタノール、N−メチルエタノールアミン、N−エチルエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−エチルジエタノールアミン等のアルカノールアミンや、
【0058】
メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、ナフタリン−α(又はβ)−スルホン酸等のスルホン酸や、ジイソプロピルホスフィン、ジイソアミルホスフィン、フェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン等の1級又は2級ホスフィンや、グリコール酸、乳酸、α−オキシ酪酸、グリセリン酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、サリチル酸、p‐オキシ安息香酸等のオキシ酸などが挙げられる。
【0059】
本発明の熱硬化性組成物は、常法に従って、該組成物を加熱して熱硬化(反応)させることによって硬化物とすることができる。この熱硬化(反応)は、オキセタン環を有する化合物、酸無水物、酸無水物から生成するポリカルボン酸などを、反応溶媒中で溶解状態に維持するか又は無溶媒で溶融状態に維持して行うことが好ましい。従って、熱硬化温度は、溶解状態で熱硬化させる場合は50〜300℃であることが好ましく、溶融状態で熱硬化させる場合には、オキセタン環を有する化合物の融点、酸無水物の融点のいずれか低い方の融点以上の温度であって300℃以下であることが好ましい。
【0060】
熱硬化において、圧力は特に制限されるものではなく、減圧、常圧、加圧のいずれでもよい。熱硬化時間は、組成物中の化合物の種類や熱硬化条件により異なるが、1〜70時間、好ましくは2〜50時間程度であればよい。なお、熱硬化は、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【0061】
前記反応溶媒としては、オキセタン環を有する化合物、酸無水物、酸無水物から生成するポリカルボン酸などを溶解又は膨潤する作用を有し、かつ、これら化合物と反応性を有しないものが好ましい。反応溶媒の使用量は、これら化合物を溶解又は膨潤できる量であればよく、例えば、後述のDMF、DMAC、HMPA、DMSO、NMPなどの極性溶媒を使用する場合、オキセタン環を有する化合物1重量に対して1〜10容量倍程度であればよい
【0062】
このような反応溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPA)等のアミド化合物や、ジエチレングルコールジメチルエーテル、ジエチレングルコールジエチルエーテル、トリエチレングルコールジメチルエーテル、アニソール、フェネトール等のエーテル化合物や、o−ジクロロベンゼン、3,4−ジクロロトルエン等の芳香族ハロゲン化炭化水素や、ニトロベンゼン、ジメチルスルホキシド(DMSO)、スルホラン、テトラメチル尿素、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などが挙げられる。これらの中では、DMF、DMAC、HMPA、DMSO、NMPが好ましい。
【0063】
前記のようにして、熱硬化性組成物を熱硬化させた後、空冷、水冷などの常法により常温まで反応物を冷却し、生成した硬化物を反応器から取り出す(必要であれば、引き続き、熱風乾燥、真空乾燥、凍結乾燥などの公知の方法により100℃以下で2〜10時間乾燥する)ことにより、不溶不融の三次元構造の硬化物を得ることができる。熱硬化性組成物を反応溶媒中で熱硬化させた場合は、反応物の冷却前に反応溶媒を蒸発させて硬化物を得てもよく、或いは、反応物を冷却して得られた硬化物を、反応溶媒を含んだままの柔軟性のある硬化物としても差し支えない。
【0064】
また、本発明の熱硬化性組成物は、金属、ゴム、プラスチック、成型部品、フィルム、紙、木、ガラス布、コンクリート、セラミックなどの基材に塗布した後、所定温度で所定時間加熱することによって硬化物とすることもできる。即ち、該硬化物を皮膜とする基材を得ることもできる。
【0065】
なお、本発明の熱硬化性組成物は、その使用に際し、本発明の効果を損なわない範囲であれば、公知の各種添加剤、例えば、無機充填剤、強化材、着色剤、安定剤(熱安定剤、耐候性改良剤等)、増量剤、粘度調節剤、難燃剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、変色防止剤、抗菌剤、防黴剤、老化防止剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、発泡剤、離型剤などを添加・混合できる。
【0066】
【実施例】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。
実施例1
オキセタン環を有する化合物としてテレフタル酸(3−エチル−3−オキセタニル)メチルエステル(すなわち、テレフタル酸ビス[(3−エチル−3−オキセタニル)メチルエステル])を100重量部、酸無水物として無水フタル酸を74重量部、水酸基含有化合物としてエチレングリコールをオキセタン環を有する化合物に対して2重量部、スズの有機酸塩としてオクチル酸スズをオキセタン環を有する化合物に対して2重量部含んでなる熱硬化性組成物を、130℃で5時間加熱して熱硬化させた。所定時間経過後、反応物を常温まで冷却して得られた硬化物の硬化状態を観察したところ、鉛筆硬度HBに相当する硬度であった。
【0067】
実施例2
加熱温度を150℃、加熱時間を2時間に変えたほかは、実施例1と同様に熱硬化させた。得られた硬化物は、鉛筆硬度HBに相当する硬度であった。
【0068】
【発明の効果】
本発明により、熱硬化速度が優れている、オキセタン環を有する化合物と酸無水物を含む熱硬化性組成物を提供することができる。この熱硬化性組成物は、硬化反応(分子間架橋)により、優れた機械的性質(引張強度、硬度など)、電気的性質(絶縁性など)、接着性、耐熱性、耐湿性、耐薬品性などを示す、不溶不融の三次元構造の硬化物を形成するものであり、エポキシ樹脂の代替品として、塗料、コーティング剤、接着剤、電気絶縁材料、封止材料、積層板、コンクリート構造物補修、補強鋼板接着などの分野への使用が大いに期待できる。
Claims (5)
- (A)分子中に2個のオキセタン環を有する化合物、
(B)オキセタン環を有する化合物(A)に対する化学量論量の0.4〜2倍量の量である、式:
(式中、kは1〜3の整数であり、R8は、k=1,2,3にそれぞれ対応して2,4,6の原子価を取り得る置換されていてもよい炭化水素基を表す。)
で示される酸無水物、
(C)オキセタン環を有する化合物に対して2〜30重量%の量である、スズのカルボン酸塩、及び
(D)オキセタン環を有する化合物と酸無水物の合計量に対して水酸基が0.05〜5重量%の量である、脂肪族2価アルコール、脂環式2価アルコール、芳香脂肪族2価アルコール、及び芳香族2価アルコールからなる群から選択された水酸基含有化合物
を含んでなる熱硬化性組成物。 - オキセタン環を有する化合物(A)が、式:
(式中、R2は、水素原子、或いは、炭素数1〜6の直鎖状又は分岐状アルキル基を表し、
R3は、炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基、炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルケニレン基、2価の芳香族炭化水素基、カルボニル基、カルボニル基を含有する2価のアルキレン基、カルボニル基を含有する2価の脂環式炭化水素基、カルボニル基を含有する2価の芳香族炭化水素基、又は式:
で表される2価の基(式中、Yは、置換されていてもよい炭素数1〜12の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基、置換されていてもよい2価の脂環式炭化水素基、或いは、置換されていてもよい2価のアリ−レン基である。)を表す。)
で表される、分子中に2個のオキセタン環を有する化合物である、請求項1記載の熱硬化性組成物。 - 酸無水物(B)が、ジカルボン酸から誘導される酸無水物又はテトラカルボン酸から誘導される酸無水物である、請求項1〜3のいずれかに記載の熱硬化性組成物。
- 酸無水物(B)の式(12)において、kは1であり、R8は原子価2の置換されていてもよい炭化水素基である請求項1〜4のいずれかに記載の熱硬化性組成物。
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JP2001080057A JP4385537B2 (ja) | 2001-03-21 | 2001-03-21 | 熱硬化性組成物 |
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