JP4984449B2 - アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物、及びその製造方法 - Google Patents

アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物、及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物及びその製造方法に関する。アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物は有機アルカリ源として有用な化合物である。
アルキル化ポリアルキレンポリアミン類は、ポリウレタン樹脂用触媒や、エポキシ樹脂用硬化促進剤として広く利用されている有用な化合物である。また、感光性樹脂、帯電防止剤、レジスト剥離剤、半導体洗浄剤、電解液、電荷輸送材料、研磨剤等のアルカリ金属類の使用制限される電子材料及び電池材料分野において有用な有機アルカリ源として広く利用されている。
ポリウレタン樹脂製造においては、活性水素を有するポリオール又は水とイソシアネートの反応において第3級アミン類が触媒として使用されているが、とりわけトリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンは活性が高く有用な触媒として提案されている(例えば、特許文献1参照)。
トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンの製造法として、トリス(2−クロロエチル)アミンをジメチルアミンによりアミノ化する方法が知られているが(例えば、非特許文献1参照)、原料の毒性が高いだけではなく、入手が困難であるため、工業的な製造法としては課題があった。また、不純物の多いポリエチレンポリアミン類からキレート錯化合物とし分離し、更に溶媒抽出法により精製する方法が知られているが(例えば、特許文献2参照)、煩雑な多段の工程を経る必要があり工業的に実施するには問題があった。このように、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法に適応し、しかも工業的に利用価値のあるアルキル化ポリアルキレンポリアミンの開発が強く望まれている。
米国特許第3836488号明細書 特開昭48−57902号公報 Journal of the American Chemical Society, Vol.76,Part 2, 2414−17(1954)
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法に有用なアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物、及びその工業的に安価な製造方法を提供することである。
本発明者らは上記問題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、特定のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物が、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法における触媒又はアミン系有機配位子として有用であり、しかも工業的に入手可能なポリアルキレンポリアミン混合物より容易に製造出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、以下に示すとおりのアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物、及びその製造方法である。
1.下記一般式(1)で示されるアミン化合物からなる群より選ばれる1種又は2種以上のアミン化合物を含むアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物。
Figure 0004984449
(式中、R〜R及びR〜Rは各々独立して炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rは炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数が2若しくは3のN,N−ジメチルアミノアルキル基を表す。n、mは各々独立して1〜5の整数を表す。aは1〜6の整数を表す。)
2.上記一般式(1)で示されるアミン化合物として、トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンを含有することを特徴とする上記1.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物。
3.トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンとの混合比率が10〜98/90〜2(重量%)の範囲であることを特徴とする上記2.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物。
4.上記一般式(1)で示されるアミン化合物として、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンを含有することを特徴とする上記1.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物。
5.N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンの混合比率が10〜98/90〜2(重量%)の範囲であることを特徴とする上記4.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物。
6.3種類以上のポリアルキレンポリアミンを含有する混合物を蒸留精製した後アルキル化することを特徴とする上記1.乃至5.のいずれかに記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造方法。
7.ポリアルキレンポリアミンが、トリエチレンテトラミン、トリス(2−アミノエチル)アミン、N,N’−ビス(アミノエチル)ピペラジン、N−2(2’−アミノエチル)アミノエチルピペラジン、テトラエチレンペンタミン、N−2(2’(2”−アミノエチル)アミノエチル)アミノエチルピペラジン、N−2(2’−アミノエチル)アミノエチル−N’−アミノエチルピペラジン、N”,N”−ビス(2−アミノエチル)−N−(2−アミノエチル)ピペラジン、N,N−ビス(2−アミノエチル)ジエチレントリアミンからなる群より選ばれる化合物であることを特徴とする上記6.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造方法。
8.3種類以上のアルキル化ポリアルキレンポリアミンを含有する混合物を蒸留精製することを特徴とする上記1.乃至5.のいずれかに記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造方法。
9.アルキル化ポリアルキレンポリアミンが、トリエチレンテトラミン、トリス(2−アミノエチル)アミン、N,N’−ビス(アミノエチル)ピペラジン、N−2(2’−アミノエチル)アミノエチルピペラジン、テトラエチレンペンタミン、N−2(2’(2”−アミノエチル)アミノエチル)アミノエチルピペラジン、N−2(2’−アミノエチル)アミノエチル−N’−アミノエチルピペラジン、N”,N”−ビス(2−アミノエチル)−N−(2−アミノエチル)ピペラジン、N,N−ビス(2−アミノエチル)ジエチレントリアミンのアルキル化体からなる群より選ばれる化合物であることを特徴とする上記8.に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造方法。
本発明によれば、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造に有効なアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を工業的に容易に提供することが可能となる。
また、本発明の組成物を上記重合体の製造法に適用した場合、触媒活性が高く、また、得られた樹脂の物性及び成形性に優れた重合体を得ることができるため、本発明の工業的な利用価値は大きい。
本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物は、下記一般式(1)で示されるアミン化合物からなる群より選ばれる1種又は2種以上のアミン化合物を含む。
Figure 0004984449
(式中、R〜R及びR〜Rは各々独立して炭素数1〜3のアルキル基を表し、Rは炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数が2若しくは3のN,N−ジメチルアミノアルキル基を表す。n、mは各々独立して1〜5の整数を表す。aは1〜6の整数を表す。)
上記一般式(1)は、ポリアルキル化ポリアルキレンポリアミン構造を有し、置換基R〜R及びR〜Rは各々独立して炭素数1〜3のアルキル基を表す。置換基R〜R、R〜Rとしては、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、触媒としての活性が高く、得られた樹脂の物性、成形性に優れることから、炭素数1のメチル基が特に好ましい。
上記一般式(1)において置換基Rは、aが2〜6の整数を表す場合には各々独立して、炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数2若しくは3のN,N−ジメチルアミノアルキル基を表すが、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、触媒活性、得られた樹脂の物性及び成形性に優れることから、炭素数1のメチル基又はN,N−ジメチルアミノエチル基が特に好ましい。
上記一般式(1)においてaは1〜6であるが、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、触媒活性、得られた樹脂の物性及び成形性に優れることから、aは1〜3の範囲がより好ましい。
上記一般式(1)においてn、mは各々独立して1〜5の整数であるが、このアルキル鎖が長くなると、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、触媒活性が低下し、得られる樹脂の物性が悪化する傾向にあるため、n、mは1〜2の範囲がより好ましい。
上記一般式(1)で示されるアルキル化ポリアルキレンポリアミンは、直鎖及び分枝鎖からなるポリアルキレンポリアミン類をモノアルコール類、アルデヒド類、又はハロゲン化アルキル類等によりN−アルキル化したアミン化合物であり、特に限定するものではないが、ジエチレントリアミン、ジプロピレントリアミン、ジヘキサメチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、トリプロピレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、トリス(2−アミノエチル)アミン、トリス(3−アミノプロピル)アミン、N,N−ビス(2−アミノエチル)ジエチレントリアミン等のN−アルキル化体が例示される。これらのうち、N−アルキル基がメチル基であるものが、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、特に活性が高く、得られた樹脂の物性と成形性に優れるため好ましい。
上記一般式(1)で示されるアルキル化ポリアルキレンポリアミンにおいて、これらN−メチル化体の具体例としては、N,N,N’,N”,N”−ペンタメチルジエチレントリアミン、N,N,N’,N”,N”−ペンタメチルジプロピレントリアミン、N,N,N’,N”,N”−ペンタメチルジヘキサメチレントリアミン、N,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミン、N,N’−ビス(3−ジメチルアミノプロピル)−N,N’−ジメチルプロピレンジアミン、N,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミン、N,N’”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”,N’”−テトラメチルトリエチレンテトラミン、トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミン、トリス(3−ジメチルアミノプロピル)アミン、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミン等のアミン化合物が挙げられる。これらのうち、ポリウレタン樹脂やエポキシ樹脂の製造法において、触媒としての活性が高く、得られた樹脂の物性、成形性に優れることから、トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンを含有する組成物、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンを含有する組成物が特に好ましい。
本発明において、トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンとの混合比率が10〜98/90〜2(重量%)の範囲が好ましく、20〜98/80〜2(重量%)の範囲がより好ましい。また、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンの混合比率が10〜98/90〜2(重量%)の範囲が好ましく、20〜98/80〜2(重量%)の範囲がより好ましい。トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミン又はN,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミン(分枝体)を98重量%以上を含有する組成物の場合、蒸留精製に蒸留段数の高い蒸留設備が必要となり、蒸留精製の生産性が低く高価となり、工業的に不利となるおそれがある。また分枝体が10%以下の場合、活性が低いため重合時間が長くなり高分子量の重合体を得ることが困難となるおそれがある。
本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物は、文献既知の反応により容易に製造できる。例えば、直鎖のポリアルキレンポリアミン、分枝したポリアルキレンポリアミン、ピペラジン環を含む環状ポリアルキレンポリアミン等のポリアルキレンポリアミンを3種類以上含む混合物を蒸留精製した後アルキル化するか、それらポリアルキレンポリアミンアルキル化して得られるアルキル化ポリアルキレンポリアミンを3種類以上含む混合物を蒸留精製することにより、容易に製造することができる。
これらのポリアルキレンポリアミンを含有する混合物は、エチレンジクロライドとアンモニアを反応させ、エチレンジアミンを得る方法や、エチレンイミンとアンモニアとの反応によるポリエチレンイミンを得る方法により副生成物として得られるが、これらのうち4個以上の窒素原子を含むアミン成分が利用できる。
これらのポリアルキレンポリアミンを含有する混合物を3級化する方法としては、例えば、ホルムアルデヒドを水素加圧下、水素化触媒の存在にて反応させる還元メチル化による方法が挙げられる。この製造法により得られるアミン化合物は、パーメチル化ポリアルキレンポリアミンを含有する混合物として得られ、更にこれを蒸留分離して精製することにより本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を得ることができる。
本発明において、蒸留分離には、蒸留理論段数が5段以上、好ましくは10段以上の蒸留塔を用いる。蒸留段数が5段未満では、本発明の組成物の蒸留分離が困難であるだけではなく、蒸留精製にも時間がかかるため工業的に適用困難となるおそれがある。
本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物は、ポリウレタン樹脂製造用触媒や、エポキシ樹脂製造用硬化促進剤として利用できるだけでなく、有機アルカリ源として幅広い用途に使用することができる。例えば、フェノール樹脂製造用触媒、ポジ型感光性樹脂組成物、帯電防止剤、レジスト剥離剤、半導体洗浄剤、電解液、発光材料、電荷輸送材料、研磨剤組成物、インクジェットインク組成物、光硬化性樹脂組成物等に使用することができる。
以下、実施例、比較例に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
実施例1 アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造例(1)
1000mlの攪拌機付きオートクレーブに直鎖以外に分枝鎖及び環状体も含むトリエチレンテトラミン(東ソー(株)社製、TETA)150gと水150g及び触媒ラネーニッケル6.0gを仕込んだ。オートクレーブを密閉、水素置換後、攪拌下に120℃まで昇温した。続けてオートクレーブ内に圧力3MPaで水素を導入しつつ37%ホルマリン水溶液464g(5.72mol)を4時間かけてポンプで供給した。1時間熟成反応を行った後、冷却して反応液を取り出した。
ロータリーエバポレーターを用いて反応液から水を留去後、40段のオールダーショ蒸留装置を用い減圧下に生成物であるN−メチル化されたトリエチレンテトラミンを蒸留精製した。この生成物をガスクロマトグラフ及びH−NMR分析した結果、トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンの混合比率が85.6/14.4(重量%比)の留分−1を8.5g、混合比率が35.2/64.8(重量%比)の留分−2を9.0g、混合比率が0.5/99.5(重量%比)の留分−3を8.5g得た。これらの留分−1,2,3をそれぞれアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物A−1,A−2,A−3とした。
実施例2 アルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物の製造例(2)
直鎖以外に分岐鎖及び環状体も含むテトラエチレンペンタミン150g(東ソー(株)社製、TEPA)と37%ホルマリン水溶液を384g(4.74mol)とした以外は実施例1と同じ条件にて反応、蒸留を行いN−メチル化されたトリエチレンテトラミンを蒸留精製した。この蒸留精製物をガスクロマトグラフ及びH−NMR分析した結果、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンの混合比率が95.5/4.5(重量%比)の留分−4を6.5g、混合比率が40.5/59.5(重量%比)の留分−5を7.0g、混合比率が0.5/99.5(重量%比)の留分−6を7.5g得た。これらの留分−4,5,6をそれぞれアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物B−1,B−2,B−3とした。
実施例3〜実施例6、及び比較例1〜比較例3
本発明及び比較例のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を用い半硬質ポリウレタンフォームを製造した例を示す。
ポリオールA、水、トリエタノールアミンを表1に示した原料配合比にてプレミックスAを調合した。
プレミックスA 105.8gを300mlポリエチレンカップに取り、本発明及び比較例のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を所定量添加し、25℃に温度調整した。別容器で25℃に温度調整したイソシアネート液をイソシアネートインデックス{イソシアネート基/OH基(モル比)×100)}が105となる量をプレミックスAのカップの中に入れ、素早く攪拌機にて6000rpmで5秒間攪拌した。混合攪拌した混合液を40℃に温度調節した2lのポリエチレンカップに移し発泡中の反応性を測定した。次に長さ50cm、幅12cm、厚さ0.5cmのアルミニウム製モールドを傾斜25°とし、フォーム密度が95kg/mとなるようにモールドの下部より混合液を注入し、モールド上部からバリを一定量生成させ発泡成形した。この場合、上記と同じようにプレミックスAを調整し、ゲルタイムが50秒になるように本発明及び比較例のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を調整しイソシアネートと混合し反応成形した。発泡成形後、成形したフォームの硬度、成形性を測定した。
結果を表2にあわせて示す。
なお、各測定項目の測定方法は以下のとおりである。
(1)反応性の測定項目
クリームタイム:発泡開始時間、フォームが上昇開始する時間を目視にて測定
ゲルタイム :反応が進行し液状物質より、樹脂状物質に変わる時間を測定
ライズタイム :フォームの上昇が停止する時間を目視にて測定。
(2)フォームの脱型時硬度
混合開始から3分後にフォームを脱型し、その1分後にフォームの脱型時硬度を測定した。
(3)成形性の評価
フォームのボイドの大きさから次のように表した
◎:非常に良い
○:良い
△:悪い
×:非常に悪い。
Figure 0004984449
Figure 0004984449
上記表から明らかなとおり、実施例3〜実施例6は本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を用いた例であるが、これらは、同じ使用量で反応速度が高く触媒活性が高いことを示している。また、脱型時の硬度が高く硬化速度が高いだけでなく、成形性に優れたフォームを形成する。
これらに対し、比較例1、比較例2は、直鎖のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物であるが、活性が低く、硬化速度及び成形性に劣る。更に比較例3は、環状のアルキル化ポリアルキレンポリアミンを含有する組成物であるが、特に活性が低く、硬化速度及び成形性の点でも劣るフォームを生成する。
実施例7〜実施例10、及び比較例4〜比較例6
本発明及び比較例のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を用いエポキシ樹脂塗膜を製造した例を示す。
エポキシ樹脂A、硬化剤、硬化促進剤を表3に示した原料配合比で調合し、20℃、カップ中、ヘラで攪拌混合しエポキシ樹脂組成物を得た。こうして得られたエポキシ樹脂組成物の5℃における硬化性、可撓性を測定し、この結果を表4に示した。
なお、各測定項目の測定方法は以下のとおりである。
(1)低温硬化性
エポキシ樹脂組成物をガラス板(25×353×1.8mm)の表面に75ミクロンのドクターブレードを用いて塗布し、硬化温度5℃においてRCI型塗膜乾燥測定時間測定器により硬化性を評価。この試験で示される2次線条痕開始時間により硬化性を評価した。
(2)可撓性
エポキシ樹脂組成物を500ミクロンのドクターブレードを用いてブリキ板(150×50×0.3mm)上に塗布し、19〜21℃で7日間乾燥、硬化させた。その後、塗膜屈曲試験機を用いて屈曲試験を行い、試験片上の塗膜のワレ、ハガレの有無を見た。なお、心棒は2mm又は3mmのものを使用した(JIS K−5400:1997に準拠)。樹脂のひび割れの状態から次のように表した
◎:異常なし
○:少しヒビあり
△:ヒビあり
×:ワレあり。
Figure 0004984449
Figure 0004984449
上記表から明らかなとおり、実施例7〜実施例10は本発明のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物を用いた例であるが、これらは、同じ使用量で低温の硬化速度が高く塗膜乾燥性が高い。また、得られた塗膜の可撓性が高い。
これらに対し、比較例4、比較例5は、直鎖のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物であるが、低温での塗膜乾燥速度が遅く、また塗膜の可撓性も劣るものであった。また、比較例6は、環状のアルキル化ポリアルキレンポリアミンを含有する組成物であるが、同様に低温での塗膜乾燥速度が遅く、また塗膜の可撓性も劣るものであった。

Claims (3)

  1. トリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンを含有し、かつトリス(2−ジメチルアミノエチル)アミンとN,N’−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’−ジメチルエチレンジアミンとの混合比率が10〜98/90〜2(重量%比)の範囲であるか、又はN,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンを含有し、N,N−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N’,N”,N”−トリメチルジエチレントリアミンとN,N”−ビス(2−ジメチルアミノエチル)−N,N’,N”−トリメチルジエチレントリアミンの混合比率が10〜98/90〜2(重量%比)の範囲であることを特徴とするアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物
  2. 請求項1に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物からなるポリウレタン樹脂製造用触媒
  3. 請求項1に記載のアルキル化ポリアルキレンポリアミン組成物からなるエポキシ樹脂製造用硬化促進剤
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