JP4887792B2 - エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、低粘度で低温硬化性に優れ、かつ機械強度、耐湿性及び接着性等の硬化物性にも優れたエポキシ樹脂組成物に関するもので、特に土木、塗料、接着用途に好適なエポキシ樹脂組成物を提供する。
従来から、エポキシ樹脂は耐食性、密着性、耐薬品性、可撓性等に優れているため土木、塗料、接着用途などで幅広く利用されている。このような分野では、一般にビスフェノール型エポキシ樹脂と有機ポリアミン系硬化剤を主成分とする常温硬化型材料が多く使用されているが、樹脂粘度が高く作業性が悪かったり、冬季に要求される低温硬化性が劣っていたり、また、硬化物の物性等が不充分であるなどの問題があった。
上記の問題を解消する目的で、エポキシ樹脂骨格中の遊離水酸基をアセトアセチル化することより、低粘度でかつ硬化速度を速める提案(特許文献1)がされている。しかし、低粘度の変性樹脂を得るには原料エポキシ樹脂に低分子量の液状エポキシ樹脂を使用する必要があり、このような低分子量エポキシ樹脂の骨格中には必然的に遊離水酸基が少なく、官能基となるアセトアセチル基を多く導入することができない。この結果、低温での硬化性は満足できるものではなかった。
特開昭48−25099号公報
本発明は、低粘度で低温硬化性に優れ、かつ硬化物性にも優れたエポキシ樹脂組成物を提供することにある。
本発明は、このような現状に鑑み鋭意検討した結果、ビスフェノール型液状エポキシ樹脂、多価アルコールのアセトアセチル化物、2〜3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル、及びアミン系硬化剤を配合することにより、低粘度で低温でも優れた硬化性と硬化物性を有するエポキシ樹脂組成物が得られることを見出したものである。本発明は、以下の各発明を包含する。
〔1〕ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)100質量部、下記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)5〜100質量部、及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)1〜50質量部、並びにアミン系硬化剤(B)を必須成分とするエポキシ樹脂組成物
Figure 0004887792
(ただし、Aは3価又は4価の脂肪族アルコール残基であり、mは平均値で0.05〜0.45であり、nは平均値で2.55〜3.95であり、〔m+n〕は3又は4である。)
〔2〕前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)がビスフェノールF型液状エポキシ樹脂50〜100質量部及びビスフェノールA型液状エポキシ樹脂0〜50質量部からなることを特徴とする〔1〕項記載のエポキシ樹脂組成物。
〔3〕前記多価アルコールのアセトアセチル化物(b)がトリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物55〜95質量%及びトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物5〜45質量%を含有することを特徴とする〔1〕項又は〔2〕項に記載のエポキシ樹脂組成物。
〔4〕前記2価又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)が1,6−ヘキサンジオールのグリシジルエーテル又はトリメチロールプロパンのグリシジルエーテルから選ばれるものであることを特徴とする〔1〕項〜〔3〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
〔5〕前記アミン系硬化剤(B)の主成分がメタキシリレンジアミンのマンニッヒ反応変性物、又は1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサンであり、前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)、前記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)の混合物100質量部に対して30〜100質量部配合されてなることを特徴とする〔1〕項〜〔4〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
〔6〕前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)、前記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)の混合物のE型回転粘度計で測定した25℃の粘度が100〜1500mPa・sであり、ドライイングタイムレコーダー(R.C型塗料乾燥時間測定器)で測定した5℃での半硬化時間が0.5〜10時間であることを特徴とする〔1〕項〜〔5〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
〔7〕前記〔1〕項〜〔6〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物からなる塗料
前記〔1〕項〜〔6〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物からなる接着剤。
〔8〕前記〔1〕項〜〔6〕項のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物の道路材、床材、耐震補強材、ライニング材、航空機〜車両等の各種産業用複合材、工業用接着剤、モールド機器絶縁材、半導体液状封止材又はプリント回路基板用穴埋め材としての使用。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、低粘度で低温硬化性に優れ、かつ機械強度、耐湿性及び接着性等の硬化物性にも優れており、寒冷地での現地施工が可能となり、特に土木、塗料、接着用途に好適なエポキシ樹脂組成物を提供する。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に用いるビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)としては、ビスフェノールA、ハロゲン化ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS等の芳香族エポキシ樹脂、及び水添ビスフェノール型エポキシ樹脂を挙げることができる。これらのエポキシ樹脂は1種単独又は2種以上を組み合わせて使用しても良い。特に好ましいエポキシ樹脂としては、数平均分子量が200〜1000のエポキシ樹脂で、さらに好ましくは200〜500の液状エポキシ樹脂であり、中でも、ビスフェノールF型の液状エポキシ樹脂が低粘度で特に望ましい。
本発明で用いる一般式(1)
Figure 0004887792
(1)


(ただし、Aは3価又は4価の脂肪族アルコール残基であり、mは平均値で0.05〜0.45であり、nは平均値で2.55〜3.95であり、〔m+n〕は3又は4である。)
で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)は、変性エポキシ樹脂(A)の粘度を低減し硬化性を促進させる成分である。
具体的には、グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコール類とアセト酢酸エステル類とを反応させて上記多価アルコール類中の水酸基の一部、又は大半をアセトアセチル基に置換して得られるアセトアセチル化物が挙げられる。これらの使用量はエポキシ樹脂100質量部に対して多価アルコールのアセトアセチル化物(b)5〜100質量部、好ましくは10〜70質量部が望ましい。5質量部未満では粘度、硬化性が不充分であり、100質量部を超えると低粘化、硬化性に際だった効果が発現しなくなり、経済性の面からも望ましくない。
上述の多価アルコール類のアセトアセチル化物の中でも、アセトアセチル化した際の粘度が低く、アミン系硬化剤との硬化反応が速いトリメチロールプロパンのアセトアセチル化物、ペンタエリスリトールのアセチル化物が望ましく、更に詳しくはトリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物及びトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物の混合系が望ましい。これは、多価アルコール類中の水酸基の一部を残す事により、変性エポキシ樹脂(A)が硬化する際の被塗物との接着性を確保するものであり、その比率はトリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物55〜95質量%、好ましくは60〜90質量%、及びトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物5〜45質量%、好ましくは10〜40質量%が望ましい。
トリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物が55質量%未満あるいはトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物が45質量%超では硬化物の耐水性の低下を招く恐れがある。尚、トリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物及びトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物の混合系には、上述の耐水性能を低下させない範囲でトリメチロールプロパンのモノアセトアセチル化物、トリメチロールプロパン単体を一部含有しても良い。
本発明のアセトアセチル化反応に用いるアセト酢酸エステル類としては、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸n−プロピル、アセト酢酸n−ブチル、アセト酢酸イソプロピル、アセト酢酸ターシャリーブチル、α−アセトプロピオン酸メチル、α−アセトプロピオン酸エチル、α−アセトプロピオン酸n−プロピル、α−アセトプロピオン酸n−ブチル、α−アセトプロピオン酸イソプロピル、α−アセトプロピオン酸ターシャリーブチル、β−ケトカプロン酸エチル、ベンゾイル酢酸エチル等が挙げられる。これらの中でも、特にアセト酢酸ターシャリーブチルが反応速度が速く、かつ副反応が少ないので最も好ましい。
多価アルコール類とアセト酢酸エステル類との反応条件は、特に限定されるものではないが、通常、窒素ガス等の不活性気体の雰囲気下、80℃〜180℃で0.5時間〜5時間実施するのが好ましく、所望によりエステル交換触媒を用いることもできる。かかる触媒としては、鉛、マンガン、マグネシウム、アンチモン等の金属酸化物、塩化マグネシウム等の金属塩化物、臭化リチウム等の金属臭化物、及び酢酸塩等や有機スズ化合物等で、通常、アセト酢酸エステル類に対して0.01〜2質量部程度の割合で使用される。
多価アルコール類の骨格中の水酸基とアセト酢酸エステル類がエステル交換反応してアセトアセチル基が導入される。上記の反応においては、アルコール類を副生するため、これを常圧下又は減圧下にて回収除去することにより多価アルコール類のアセトアセチル化物が得られる。アセトアセチル化率は、その使用目的に応じて、多価アルコール類に対するアセト酢酸エステル類の仕込み比率により任意に調整する事が可能である。
本発明に用いる2価又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)としては、通常の反応性希釈剤として用いられるアルキレンジグリシジルエーテル、脂肪族ポリオールのグリシジルエーテルが挙げられ、それらの使用量は、エポキシ樹脂100質量部に対して1〜50質量部、好ましくは30質量部以下が望ましい。50質量部超では硬化物の機械物性が低下する可能性がある。これらの反応性希釈剤の中でも、粘度、硬化物性の観点から1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテルが望ましい。
本発明のエポキシ樹脂組成物に用いられる硬化剤(B)としては、脂肪族ポリアミン類、複素環式ポリアミン類、脂環式ポリアミン類、芳香族ポリアミン類、及びこれらポリアミン類の変性物、ポリアミドアミン類、ケチミン類、ウレタンアミン類等、通常使用されるアミン系硬化剤が適用出来る。ポリアミン類の変性物の例としては、各種アダクト品やマンニッヒ変性品、マイケル付加変性品等が挙げられる。これらのアミン系硬化剤は2種類以上を組み合わせても良いし、必要に応じて、ポリアミド類、イミダゾール類、ヒドラジド、ジシアンジアミド、メルカプタン類、酸末端ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、レゾール樹脂、アミノ樹脂、イソシアネート類等のアミン系硬化剤以外の硬化剤を一部併用することも可能である。又、チオシアン酸塩類や第3級アミン類、芳香族エステル類、アクリレート類等の硬化促進剤を併用してもよい。
これらの硬化剤の中でも、メタキシレンジアミン(MXDA)等の脂肪族ポリアミン類とそのマンニッヒ変性物、及びノルボルネンジアミン(NBDA)、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン(1,3BAC)等の脂環式ポリアミン類が、単体粘度が低く、エポキシ基、及びアセトアセチル基との反応性も良好で速硬化性も高く、硬化物の機械的強度、Tgにも優れるので最も望ましい。
また、これらの脂肪族ポリアミン類、脂環式ポリアミン類にケチミン類を併用することにより、可使時間を調整するとともに、上記アミン類とアセトアセチル基との硬化反応により生成する水がケチミンと接触してケチミン中のマスキングが外れ、活性な1級アミンとして更にエポキシ基、アセトアセチル基との硬化反応を促すので特に薄膜硬化等においては有効な手段となる。
これらのアミン系硬化剤(B)の使用量は、変性エポキシ樹脂(A)100質量部に対して30〜100質量部の範囲で変性エポキシ樹脂(A)の官能基当量に対して当量比で配合するのが望ましい。
本発明による変性エポキシ樹脂(A)の粘度は、好ましくは25℃で100mPa.s〜1500mPa.s、更に好ましくは1000mPa.s以下であり、1500mPa.s超では低温雰囲気下での作業性が著しく困難となり、現地施工に適した材料とは言えない。
また、当量比配合による変性エポキシ樹脂(A)とアミン系硬化剤(B)のクリア塗料を5℃雰囲気下でガラス板上に塗布し、ドライイングタイムレコーダーにセットして求めた場合の好ましい半硬化時間は0.5〜8時間で、更に好ましくは0.5〜5時間である。半硬化時間が8時間を超えると例えば塗り床等の施工現場に於ける1Day2Coat仕様が困難となる。
本発明の変性エポキシ樹脂組成物には、必要に応じてキシレン樹脂、石油樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アルキッド樹脂、ポリイミド樹脂、本発明の変性エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂等の樹脂類、脂肪族ポリオール類、モノグリシジルエーテル類、ジオクチルフタレート、ベンジルアルコール、コールタール等の反応性又は非反応性の希釈剤、p−トルエンスルフォン酸メチル等の硬化促進剤、シランカップリング剤等の表面処理剤を使用することができる。
また、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム等の金属酸化物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の金属水酸化物、モンモリロナイト、タルク、マイカ、ハイドロタルサイト、シリカ、ガラス繊維、炭素繊維、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、鉄粉、アルミニウム粉、セメント、石材、木粉、などの充填剤、加硫ゴム、ポリサルファイド等の可とう性付与剤、二酸化チタン、カーボンブラック等の着色剤、及び顔料類、増粘剤、チキソトロピック剤、各種難燃剤、流れ調整剤、触媒、硬化促進剤、消泡剤、紫外線吸収剤等、常用の添加物を併用することもできる。勿論溶剤型、エマルジョン型エポキ樹脂組成物にも応用することができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。実施例、比較例での評価方法は以下の通りで、結果を表−1に示す。実施例及び比較例中の部は全て質量部を示す。
(1)エポキシ当量の測定は、JIS規格分析法K7236に準拠して測定した。
(2)粘度は、E型回転粘度計を用いて25℃で測定した。
(3)硬化性は、5℃雰囲気下で、配合したエポキシ樹脂組成物をガラス板上に3milアプリケーターで塗布し、これをRC型ドライイングタイムレコーダーにセットして半硬化時間を求めた。
(4)硬化物の機械物性は、配合したエポキシ樹脂組成物をガラス板間に注型し、23℃で7日間放置して得られた硬化物から試験片を切削して、これをJIS K 7116に準じて曲げ試験を実施して弾性率を測定した。
(5)硬化物の耐水性は、上述の23℃で7日間放置後に切削して得た機械物性評価用の試験片を別途40℃の水に14日間浸漬してから、同様にJIS K 7116に準じて曲げ試験を実施して弾性率を測定し、水浸漬前の弾性率で除して得た保持率(%)により判定した。
(6)接着性の評価は、JIS A 6916に準じた建研式による湿潤面の接着性を評価した。養生期間は23℃×7日とした。
(7)アセトアセチル化物の分析は、Waters製のHPLC2690装置を用いて以下の条件で測定した。
カラム :SymmetryC18 5μ 4.6×250mm(Waters製)
検出器 :Waters996、230nm
溶離液 :水/AcCN(1mL/min、40℃)
グラジエント:水/AcCN(70/30)→(30/70)30min
サンプル:1%THF溶液(10μLインジェクション)
製造例1
温度計、撹拌装置、冷却管、窒素導入口及び溶剤回収装置を備えた2L丸底セパラブルフラスコに、トリメチロールプロパン(三菱ガス化学製)200g、及びアセト酢酸ターシャリーブチル(イーストマンケミカル製)707.4gを投入し、撹拌しながら120℃に加熱して反応により副生したターシャリ−ブタノールを留去しながら2時間反応した。次に、内容物を130℃まで加熱し、装置内を減圧にして突沸に注意しながら徐々に真空度を上げて10トール(−750ミリHg)の減圧条件下で1時間かけてターシャリーブタノールと未反応のアセト酢酸ターシャリーブチルを留去し、トリメチロールプロパンのアセトアセチル化物543gを得た。HPLC分析により、トリメチロールプロパントリアセトアセチル化物が80質量%、及びトリメチロールプロパンジアセトアセチル化物が20質量%含有されていた。
製造例2
トリメチロールプロパン(三菱ガス化学製)200g、及びアセト酢酸ターシャリーブチル(イーストマンケミカル製)460gを用いる他は、製造例1と同様にしてトリメチロールプロパンのアセトアセチル化物417gを得た。HPLC分析により、トリメチロールプロパントリアセトアセチル化物が60質量%、及びトリメチロールプロパンジアセトアセチル化物が40質量%含有されていた。
製造例3
トリメチロールプロパン(三菱ガス化学製)200g、及びアセト酢酸ターシャリーブチル(イーストマンケミカル製)990gを用いる他は、製造例1と同様にしてトリメチロールプロパンのアセトアセチル化物568gを得た。HPLC分析により、トリメチロールプロパントリアセトアセチル化物が94質量%、及びトリメチロールプロパンジアセトアセチル化物が6質量%含有されていた。
製造例4
同様に、ペンタエリスリトール(三菱ガス化学製)200g、及びアセト酢酸ターシャリーブチル(イーストマンケミカル製)930gを用いる他は、製造例1と同様にしてペンタエリスリトールのアセトアセチル化物660gを得た。HPLC分析により、ペンタエリスリトールのテトラアセトアセチル化物が73質量%、及びペンタエリスリトールのトリアセトアセチル化物が19質量%、及びペンタエリスリトールのジアセトアセチル化物が8質量%含有されていた。
実施例1
表−1の配合に示す通り、ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂E807(ジャパンエポキシレジン製 WPE:169g/eq)100質量部、製造例1で得たトリメチロールプロパンのアセトアセチル化物20質量部、反応性希釈剤YED−216(ジャパンエポキシレジン製1,6−ヘキサンジオール−ジグリシジルエーテル WPE:160g/eq)20質量部を混合して変性エポキシ樹脂(A)を調製し、23℃で1日静置後、WPEと25℃の粘度を測定した。次に、この変性エポキシ樹脂(A)にアミン系硬化剤(B)XD−648(ジャパンエポキシレジン製 MXDA−マンニッヒ変性品 活性水素当量:75g/eq)を樹脂の官能基当量に対して当量配合して(株)シンキー製の練機、商品名“泡とり練太郎”で混練、脱泡してクリア塗料を調製して硬化性、及び硬化物の機械物性を評価した。結果を表−1に示す。
実施例2〜9、比較例1、2
実施例1と同様にして、表−1に示す配合でクリア塗料を調製し、評価した。結果を表−1に示す。
Figure 0004887792
表1の実施例1〜9と比較例1及び2の結果から明らかなように、本発明のエポキシ樹脂組成物は、低粘度で低温硬化性に優れ、且つ機械強度、耐湿性及び接着性等の各種硬化物性にも優れており、寒冷地での現地施工が可能となるため、特に土木、塗料、接着等の用途に適するものであるが、さらに広範な分野への利用を可能とするものである。

Claims (8)

  1. ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)100質量部、下記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)5〜100質量部、及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)1〜50質量部、並びにアミン系硬化剤(B)を必須成分とするエポキシ樹脂組成物
    Figure 0004887792
    (ただし、Aは3価又は4価の脂肪族アルコール残基であり、mは平均値で0.05〜0.45であり、nは平均値で2.55〜3.95であり、〔m+n〕は3又は4である。)
  2. 前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)がビスフェノールF型液状エポキシ樹脂50〜100質量部及びビスフェノールA型液状エポキシ樹脂0〜50質量部からなることを特徴とする請求項1記載のエポキシ樹脂組成物。
  3. 前記多価アルコールのアセトアセチル化物(b)がトリメチロールプロパンのトリアセトアセチル化物55〜95質量%及びトリメチロールプロパンのジアセトアセチル化物5〜45質量%を含有することを特徴とする請求項1又は2記載のエポキシ樹脂組成物。
  4. 前記2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)が1,6−ヘキサンジオールのグリシジルエーテル又はトリメチロールプロパンのグリシジルエーテルから選ばれるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  5. 前記アミン系硬化剤(B)の主成分がメタキシリレンジアミンのマンニッヒ反応変性物、又は1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサンであり、前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)、前記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)の混合物100質量部に対して30〜100質量部配合されてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  6. 前記ビスフェノール型液状エポキシ樹脂(a)、前記一般式(1)で示される多価アルコールのアセトアセチル化物(b)及び2又は3価の脂肪族アルコールのグリシジルエーテル(c)の混合物のE型回転粘度計で測定した25℃の粘度が100〜1500mPa・sであり、ドライイングタイムレコーダー(R.C型塗料乾燥時間測定器)で測定した5℃での半硬化時間が0.5〜8時間であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物からなる
  8. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物からなる接着剤
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