JP5270446B2 - ポリイソシアネート組成物およびポリウレタン樹脂 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリイソシアネート組成物およびポリウレタン樹脂、詳しくは、ポリイソシアネート組成物、および、そのポリイソシアネート組成物が用いられるポリウレタン樹脂に関する。
ポリウレタン樹脂は、通常、ポリイソシアネートと活性水素化合物との反応により製造されており、例えば、塗料、接着剤、エラストマーなどとして、各種産業分野において広範に使用されている。
このようなポリウレタン樹脂が、例えば、塗料などの耐候性が要求される分野において使用される場合には、耐候性に優れたポリウレタン樹脂を製造するため、その原料のポリイソシアネートとして、一般に、脂肪族ジイソシアネートや脂環族ジイソシアネートなどが、用いられている。
また、原料のポリイソシアネートは、ポリウレタン樹脂の用途によっては、例えば、多価ヒドロキシ化合物などにより変性されることも、広く知られている。
例えば、脂肪族または脂環族ジイソシアネートの単量体または混合物と、水酸基平均官能基数4〜10の多価ヒドロキシ化合物の少なくとも1種とを反応させた後、未反応モノマーを実質的に除去することにより、イソシアネート平均官能基数が4〜20であり、イソシアネート基濃度が5〜20重量%であり、25℃における粘度が2000〜200000mPa・sであり、イソシアネート環状三量体濃度が10重量%以下であるポリイソシアネートを得ることが、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、特許文献1には、脂肪族ジイソシアネートとして、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネートやペンタメチレンジイソシアネートなどが挙げられており、特許文献1の実施例1〜8では、脂肪族ジイソシアネートとして、ヘキサメチレンジイソシアネートが、用いられている。
特開平8−325351号公報
一方、各種産業分野では、ポリウレタン樹脂の製造において、ポリイソシアネートの使用量を低減しても、十分な機械物性を満足すべく、イソシアネート基濃度の高いポリイソシアネート組成物が望まれている。しかしながら、特許文献1に記載のポリイソシアネートは、イソシアネート基濃度が低下しやすく、十分なイソシアネート基濃度が得られない場合がある。
また、そのようなポリイソシアネートと活性水素化合物との反応により得られるポリウレタン樹脂は、機械物性が十分ではなく、さらには、耐薬品性にも劣るという不具合がある。
本発明の目的は、イソシアネート基濃度が高く、さらには、機械物性および耐薬品性に優れるポリウレタン樹脂を製造することができるポリイソシアネート組成物、および、そのポリイソシアネート組成物が用いられるポリウレタン樹脂を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明のポリイソシアネート組成物は、ペンタメチレンジイソシアネートと低分子量ポリオールとの反応により得られるポリイソシアネート組成物であって、低分子量ポリオールの平均官能基数が、2〜3.9であり、ポリイソシアネート組成物のイソシアネート基濃度が、17〜22質量%であることを特徴としている。
また、本発明のポリイソシアネート組成物は、ゲルパーミエーションクロマトグラムにおいて、ポリエチレンオキシド換算分子量400〜900の範囲に含まれるピークの占める面積の割合が、全ピーク面積の35%以上であることが好適である。
また、本発明のポリウレタン樹脂は、上記のポリイソシアネート組成物と、活性水素化合物とを反応させることにより得られることを特徴としている。
本発明のポリイソシアネート組成物は、高いイソシアネート基濃度を有する。
そのため、本発明のポリイソシアネート組成物は、使用量を低減しても十分な機械物性および耐薬品性を満足することができる。そのため、本発明のポリイソシアネート組成物が用いられるポリウレタン樹脂は、各種産業分野において、広範に用いることができる。
図1は、実施例1のポリイソシアネート組成物のゲルパーミエーションクロマトグラムである。
本発明のポリイソシアネート組成物は、実質的に溶剤を含まないポリイソシアネート組成物であって、ペンタメチレンジイソシアネート(以下、PDIと略する場合がある。)と、低分子量ポリオールとの反応により得ることができる。
本発明において、ペンタメチレンジイソシアネートとしては、例えば、1,5−ペンタメチレンジイソシアネート、1,4−ペンタメチレンジイソシアネート、1,3−ペンタメチレンジイソシアネート、または、これらの混合物が挙げられる。産業上、入手の容易さから、好ましくは、1,5−ペンタメチレンジイソシアネートが挙げられる。1,5−ペンタメチレンジイソシアネートは、1,5−ジアミノペンタンから、ホスゲン法やノンホスゲン法などの公知の方法により製造することができ、例えば、特開2003−212835号、特開2003−252846号、特開2004−262892号、あるいは、国際公開第2008/015134号に記載される方法により製造することができる。
1,5−ジアミノペンタンは、例えば、化学大辞典(編集者;化学大辞典編集委員会、発行所;共立出版株式会社、1987年2月15日 第30刷発行)に記載されるように、カダベリンとも呼ばれており、リジンを原料として製造される。
ペンタメチレンジイソシアネートは、加水分解性塩素の濃度(HC)が上昇しやすい傾向にあるため、ホスゲン法を採用する場合において、HCを低減する必要がある場合には、例えば、ホスゲン化反応させ、脱溶剤させた後、留去させたペンタメチレンジイソシアネートを、例えば、窒素などの不活性ガスを通気しながら、例えば、150℃〜220℃、好ましくは、160〜210℃で、例えば、1〜8時間、好ましくは、3〜6時間加熱処理する。その後、蒸留(精留処理)することによって、ペンタメチレンジイソシアネートのHCを著しく低減することができる。
本発明において、ペンタメチレンジイソシアネートの加水分解性塩素の濃度は、例えば、100ppm以下、好ましくは、80ppm以下、より好ましくは、60ppm以下、さらに好ましくは、50ppm以下である。
なお、加水分解性塩素の濃度は、例えば、JIS K−1556(2000)の附属書3に記載されている加水分解性塩素の試験方法に準拠して測定することができる。
加水分解性塩素の濃度が100ppm以下であれば、ウレタン化反応(後述)において、過剰の触媒を使用しなくても、ポリイソシアネート組成物を得ることができ、また、そのポリイソシアネート組成物を用いて得られるポリウレタン樹脂の長期の耐熱性や、耐候性において、耐変色性の向上を図ることができる。
本発明において、低分子量ポリオールは、水酸基を2つ以上有する化合物であって、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、1,4−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,2−ブタンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2,6−ジメチル−1−オクテン−3,8−ジオール、アルカン(炭素数7〜22)ジオール、シクロヘキサンジメタノール、水素化ビスフェノールA、1,4−ジヒドロキシ−2−ブテン、ビスヒドロキシエトキシベンゼン、キシレングリコール、ビスヒドロキシエチレンテレフタレート、ビスフェノールA、ジエチレングリコール、トリオキシエチレングリコール、テトラオキシエチレングリコール、ペンタオキシエチレングリコール、ヘキサオキシエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリオキシプロピレングリコール、テトラオキシプロピレングリコール、ペンタオキシプロピレングリコール、ヘキサオキシプロピレングリコールなどの2価アルコール、例えば、グリセリン、2−メチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール、2,4−ジヒドロキシ−3−ヒドロキシメチルペンタン、1,2,6−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパン、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)−3−ブタノールおよびその他の脂肪族トリオール(炭素数8〜24)などの3価アルコール、例えば、テトラメチロールメタン(ペンタエリスリトール)、ジグリセリンなどの4価アルコール、例えば、キシリトールなどの5価アルコール、例えば、ソルビトール、マンニトール、アリトール、イジトール、ダルシトール、アルトリトール、イノシトール、ジペンタエリスリトールなどの6価アルコール、例えば、ペルセイトールなどの7価アルコール、例えば、ショ糖などの8価アルコールなどが挙げられる。また、多価アルコールとしては、上記の1〜8価アルコールに、さらに、例えば、プロピレンオキサイド、エチレンオキサイドなどのアルキレンオキサイドを付加した付加重合体(ポリオキシアルキレンポリオール)も含まれる。
これら低分子量ポリオールは、単独使用または2種以上併用することができる。
低分子量ポリオールとして、好ましくは、2〜8価アルコール、より好ましくは、2〜6価アルコール、さらに好ましくは、2〜3価アルコール、とりわけ好ましくは、3価アルコールが挙げられる。
低分子量ポリオールの数平均分子量(単独化合物の場合には、その分子量。以下同様。)は、例えば、30〜1200、好ましくは、40〜1000、より好ましくは、50〜900である。
また、低分子量ポリオールの水酸基価は、例えば、90〜3000mgKOH/g、好ましくは、125〜1700mgKOH/gである。
なお、平均水酸基価は、公知の滴定法から求めることができ、また、水酸基価と水酸基当量とは、次式(1)の関係にある。
水酸基価=56100/水酸基当量 (1)
そして、本発明において、低分子量ポリオールの平均官能基数は、2〜3.9、好ましくは、2.1〜3.8、より好ましくは、2.3〜3.6、さらに好ましくは、2.5〜3.5である。
低分子量ポリオールの平均官能基数は、低分子量ポリオールを2種類以上併用する場合には、併用される各低分子量ポリオールの水酸基当量および数平均分子量から、次式(2)により算出することができる。
(低分子量ポリオールの平均官能基数)=((各低分子量ポリオールの質量/各低分子量ポリオールの水酸基当量)の総和)/((各低分子量ポリオールの質量/各低分子量ポリオールの数平均分子量)の総和) (2)
そして、本発明においては、ペンタメチレンジイソシアネートと低分子量ポリオールとを、得られるポリイソシアネート組成物において、そのイソシアネート基濃度が17〜22質量%となるように反応させる。
より具体的には、ポリイソシアネート組成物を得るには、低分子量ポリオールの活性水素基(ヒドロキシ基)に対する、ペンタメチレンジイソシアネートのイソシアネート基の当量比(イソシアネート基/活性水素基)が、例えば、3〜20、好ましくは、3〜10、さらに好ましくは、4〜8となる割合で、それらを配合し、公知のウレタン化反応により反応させる。
このウレタン化反応における反応条件としては、例えば、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気、常圧(大気圧)下において、反応温度が、例えば、40〜120℃、好ましくは、50〜100℃、さらに好ましくは、60〜90℃であり、反応時間が、例えば、0.5〜30時間、好ましくは、1〜20時間、さらに好ましくは、1〜10時間である。
また、ウレタン化反応は、反応系において、所望のイソシアネート基含有量(仕込み量から算出される、未反応のイソシアネート基濃度の理論量)となった時点で、終了する。
また、このウレタン化反応では、必要に応じて、例えば、アミン類や有機金属化合物などの公知のウレタン化触媒を添加してもよく、また、公知の有機溶媒を添加してもよい。
アミン類としては、例えば、トリエチルアミン、トリエチレンジアミン、ビス−(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、N−メチルモルホリンなどの3級アミン類、例えば、テトラエチルヒドロキシルアンモニウムなどの4級アンモニウム塩、例えば、イミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類などが挙げられる。
有機金属化合物としては、例えば、酢酸錫、オクチル酸錫、オレイン酸錫、ラウリル酸錫、ジブチル錫ジアセテート、ジメチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジメルカプチド、ジブチル錫マレエート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジネオデカノエート、ジオクチル錫ジメルカプチド、ジオクチル錫ジラウリレート、ジブチル錫ジクロリドなどの有機錫系化合物、例えば、オクタン酸鉛、ナフテン酸鉛などの有機鉛化合物、例えば、ナフテン酸ニッケルなどの有機ニッケル化合物、例えば、ナフテン酸コバルトなどの有機コバルト化合物、例えば、オクテン酸銅などの有機銅化合物、例えば、オクチル酸ビスマス、ネオデカン酸ビスマスなどの有機ビスマス化合物などが挙げられる。
さらに、ウレタン化触媒として、例えば、炭酸カリウム、酢酸カリウム、オクチル酸カリウムなどのカリウム塩が挙げられる。
これらウレタン化触媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。
有機溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、例えば、アセトニトリルなどのニトリル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチルなどのアルキルエステル類、例えば、n−ヘキサン、n−ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素類、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの脂環族炭化水素類、例えば、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類、例えば、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、メチルカルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、3−メチル−3−メトキシブチルアセテート、エチル−3−エトキシプロピオネートなどのグリコールエーテルエステル類、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル類、例えば、塩化メチル、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、臭化メチル、ヨウ化メチレン、ジクロロエタンなどのハロゲン化脂肪族炭化水素類、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホニルアミドなどの極性非プロトン類などが挙げられる。
これら有機溶媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。
また、このウレタン化反応では、遊離の(未反応の)ペンタメチレンジイソシアネートを除去することもできる。
換言すると、ポリイソシアネート組成物は、未反応のペンタメチレンジイソシアネートが混入された状態、すなわち、ペンタメチレンジイソシアネートと低分子量ポリオールとの反応生成物(ペンタメチレンジイソシアネートの低分子量ポリオール付加体)と、未反応のペンタメチレンジイソシアネートとの混合物として得られる。
得られるポリイソシアネート組成物中における、未反応のペンタメチレンジイソシアネートの濃度(以下、残存モノマー濃度と称する場合がある。)が高い場合には、好ましくは、ポリイソシアネート組成物から未反応のペンタメチレンジイソシアネートを除去し、残存モノマー濃度を低減する。
未反応のペンタメチレンジイソシアネートを除去する方法としては、例えば、薄膜蒸留法などの蒸留法や、例えば、液−液抽出法などの抽出法などが挙げられる。ペンタメチレンジイソシアネートを効率的に除去する観点から、好ましくは、抽出法、より好ましくは、液−液抽出法が挙げられる。
薄膜蒸留法では、例えば、未反応のペンタメチレンジイソシアネートが混入されたポリイソシアネート組成物を、真空度0.02〜0.2KPa、100〜200℃の温度条件下において、公知の薄膜蒸留法により蒸留することができる。
液−液抽出法では、未反応のペンタメチレンジイソシアネートが混入されたポリイソシアネート組成物に、抽出溶剤を接触させる。これにより、ポリイソシアネート組成物中の、未反応のペンタメチレンジイソシアネートを分離する。
抽出溶剤としては、イソシアネート基に対して不活性であり、ペンタメチレンジイソシアネートを分離できる溶剤であれば、特に制限されないが、好ましくは、複数種類の溶剤が混合された混合抽出溶剤が挙げられる。
混合抽出溶剤として、より具体的には、例えば、溶解度パラメータ(POLYMER HANDBOOK(第4版 編者:J.BRANDRUP,E.H.IMMERGUT,and E.A.GRULKE 出版社:John Wiley & Sons,Inc. 出版年:1999)のPVII−688〜VII−694 Table7参照。以下同様。)が6〜8の有機溶剤(以下、第1有機溶剤と称する。)と、溶解度パラメータが8.5〜12の有機溶剤(以下、第2有機溶剤と称する。)とが混合された混合抽出溶剤が、挙げられる。
第1有機溶剤としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどが挙げられる。
これら第1有機溶剤は、単独使用または2種類以上併用することができる。
第1有機溶剤として、好ましくは、ヘキサンが挙げられる。
第2有機溶剤としては、例えば、アセトン、アセトニトリル、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、クロロホルム、メチルセルソルブアセテートなどが挙げられる。
これら第2有機溶剤は、単独使用または2種類以上併用することができる。
第2有機溶剤として、好ましくは、酢酸エチルが挙げられる。
混合抽出溶剤は、第1有機溶剤と第2有機溶剤とが公知の方法により混合、攪拌されることによって、調製される。
混合抽出溶剤における、各成分の配合割合は、混合抽出溶剤100質量部に対して、第1有機溶剤が、例えば、50〜95質量部、好ましくは、70〜95質量部であって、第2有機溶剤が、例えば、5〜50質量部、好ましくは、5〜30質量部である。
また、未反応のペンタメチレンジイソシアネートが混入されたポリイソシアネート組成物の粘度が低い場合などには、抽出溶剤として、第1有機溶剤のみを用いることもできる。
そして、液−液抽出法では、ポリイソシアネート組成物と抽出溶剤とを混合、攪拌することにより、ポリイソシアネート組成物中の未反応のペンタメチレンジイソシアネートを、抽出溶剤へと液−液抽出する。
液−液抽出におけるポリイソシアネート組成物(混入される未反応のペンタメチレンジイソシアネートを含む。)と抽出溶剤との配合割合は、ポリイソシアネート組成物100質量部に対して、抽出溶剤が、例えば、50〜300質量部、好ましくは、50〜200質量部、より好ましくは、70〜150質量部である。
また、液−液抽出では、ポリイソシアネート組成物と抽出溶剤とを、例えば、常圧(大気圧)下、例えば、30〜90℃、好ましくは、40〜80℃、より好ましくは、45〜70℃において、例えば、2〜60分間、好ましくは、5〜40分間、より好ましくは、5〜30分間混合する。
これにより、未反応のペンタメチレンジイソシアネートを、抽出溶剤中へと抽出する。
次いで、この方法では、ポリイソシアネート組成物と抽出溶剤との混合物を、例えば、2〜60分間静置し、その後、抽出溶剤(未反応のペンタメチレンジイソシアネートが抽出された抽出溶剤)を、公知の方法により除去する。
なお、1回の液−液抽出により未反応のペンタメチレンジイソシアネートを十分に除去できない場合には、複数回(例えば、2〜20回)繰り返し液−液抽出することもできる。
また、液−液抽出法では、例えば、抽出塔などを用いて、未反応のペンタメチレンジイソシアネートを、連続的に抽出することもできる。このような抽出塔としては、例えば、塔内部に棚板が数十段組み込まれた抽出塔や、棚板が回転円盤型の抽出塔などが挙げられる。
これにより、ポリイソシアネート組成物に混入される未反応のペンタメチレンジイソシアネートを除去し、残存モノマー濃度を低減することができる。
また、液−液抽出により、抽出溶剤が、ポリイソシアネート組成物中に混入する場合には、好ましくは、溶剤を、ポリイソシアネート組成物中から除去する。
溶剤をポリイソシアネート組成物中から除去する方法としては、溶剤の種類などにもよるが、例えば、減圧下において、例えば、40〜120℃に加熱する。これにより、溶剤を揮発させ、ポリイソシアネート組成物中から除去することができる。
このようにして得られるポリイソシアネート組成物は、そのイソシアネート基濃度が、17〜22質量%、好ましくは、18〜22質量%、より好ましくは、18〜21.5質量%である。
また、このようにして得られるポリイソシアネート組成物においては、残存モノマー濃度(未反応のペンタメチレンジイソシアネートの濃度)が、例えば、1質量%以下、好ましくは、0.7質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下である。
また、このようにして得られるポリイソシアネート組成物の、25℃における粘度は、例えば、20〜5000mPa・s、好ましくは、50〜4000mPa・s、より好ましくは、50〜3000mPa・sである。
また、このようにして得られるポリイソシアネート組成物は、数平均分子量が、例えば、400〜1400、好ましくは、400〜1200、より好ましくは、400〜1100である。なお、ここでいう数平均分子量は、ポリイソシアネート組成物を、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定したポリエチレンオキシド換算の数平均分子量である。
そして、得られるポリイソシアネート組成物は、ゲルパーミエーションクロマトグラムにおいて、ポリエチレンオキシド換算分子量400〜900の範囲に含まれるピークの占める面積の割合(以下、400−900比率と称する場合がある。)が、全ピーク面積に対して、例えば、35%以上、好ましくは、35〜90%、より好ましくは、35〜80%である。
400−900比率は、得られたポリイソシアネート組成物の分子量分布を、標準ポリエチレンオキシドの検量線に基づき、示差屈折率検出器(RID)を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)によって測定し、得られたクロマトグラム(チャート)から、ポリエチレンオキシド換算分子量400〜900の範囲に含まれるピーク面積の、全ピーク面積に対する比率(面積比率)として、算出することができる。
ポリイソシアネート組成物における400−900比率が35%以上であれば、高分子量化した副生成物の割合が少なくなるため、イソシアネート組成物のイソシアネート基濃度を高く、かつ、ポリイソシアネート組成物の粘度を低下させることができる。
このようにして得られるポリイソシアネート組成物は、溶剤で希釈することなく、塗料、接着剤、その他、数多くの工業的用途に使用できるが、必要であれば、各種有機溶剤に溶解させて使用することもできる。
有機溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、例えば、アセトニトリルなどのニトリル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチルなどのアルキルエステル類、例えば、n−ヘキサン、n−ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素類、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンなどの脂環族炭化水素類、例えば、トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類、例えば、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、メチルカルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、3−メチル−3−メトキシブチルアセテート、エチル−3−エトキシプロピオネートなどのグリコールエーテルエステル類、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル類、例えば、塩化メチル、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、臭化メチル、ヨウ化メチレン、ジクロロエタンなどのハロゲン化脂肪族炭化水素類、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホニルアミドなどの極性非プロトン類などが挙げられる。
さらに、有機溶剤としては、例えば、非極性溶剤(非極性有機溶剤)が挙げられ、これら非極性溶剤としては、脂肪族、ナフテン系炭化水素系有機溶剤を含む、アニリン点が、例えば、10〜70℃、好ましくは、12〜65℃の、低毒性で溶解力の弱い非極性有機溶剤や、ターペン油に代表される植物性油などが挙げられる。
かかる非極性有機溶剤は、市販品として入手可能であり、そのような市販品としては、例えば、ハウス(シェル化学製、アニリン点15℃)、スワゾール310(丸善石油製、アニリン点16℃)、エッソナフサNo.6(エクソン化学製、アニリン点43℃)、ロウス(シェル化学製、アニリン点43℃)、エッソナフサNo.5(エクソン製、アニリン点55℃)、ペガゾール3040(モービル石油製、アニリン点55℃)などの石油炭化水素系有機溶剤、その他、メチルシクロヘキサン(アニリン点40℃)、エチルシクロヘキサン(アニリン点44℃)、ガムテレピンN(安原油脂製、アニリン点27℃)などのターペン油類などが挙げられる。
ポリイソシアネート組成物が有機溶剤に溶解される場合には、その溶液におけるポリイソシアネート組成物の濃度は、例えば、30〜95質量%、好ましくは、40〜90質量%、より好ましくは、50〜90質量%である。
また、上記の割合でポリイソシアネート組成物が有機溶剤に溶解される場合には、その溶液の25℃における粘度は、例えば、10〜5000mPa・s、好ましくは、20〜4000mPa・s、より好ましくは、50〜3000mPa・sである。
本発明のポリイソシアネート組成物は、高いイソシアネート基濃度を有する。そのため、本発明のポリイソシアネート組成物は、使用量を低減しても、十分な機械物性(例えば、硬度、破断強度など)および耐溶剤性を満足することができる。そのため、本発明のポリイソシアネート組成物が用いられるポリウレタン樹脂は、各種産業分野において、広範に用いることができる。
本発明のポリウレタン樹脂は、上記ポリイソシアネート組成物と、活性水素化合物とを反応させることにより、得ることができる。
本発明において、活性水素化合物としては、例えば、ポリオール成分(水酸基を2つ以上有するポリオールを主として含有する成分)、ポリアミン成分(アミノ基を2つ以上有するポリアミンを主として含有する化合物)などが挙げられる。
本発明において、ポリオール成分としては、低分子量ポリオールおよび高分子量ポリオールが挙げられる。
低分子量ポリオールとしては、上記した低分子量ポリオールと同様の低分子量ポリオールが挙げられる。
高分子量ポリオールは、水酸基を2つ以上有する数平均分子量400以上の化合物であって、例えば、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリウレタンポリオール、エポキシポリオール、植物油ポリオール、ポリオレフィンポリオール、アクリルポリオール、および、ビニルモノマー変性ポリオールが挙げられる。
ポリエーテルポリオールとしては、例えば、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコールなどが挙げられる。
ポリプロピレングリコールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオールまたは芳香族/脂肪族ポリアミンを開始剤とする、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなどのアルキレンオキサイドの付加重合物(2種以上のアルキレンオキサイドのランダムおよび/またはブロック共重合体を含む。)が挙げられる。
ポリテトラメチレンエーテルグリコールとしては、例えば、テトラヒドロフランのカチオン重合により得られる開環重合物や、テトラヒドロフランの重合単位に上記した2価アルコールを共重合した非晶性ポリテトラメチレンエーテルグリコールなどが挙げられる。
ポリエステルポリオールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオールと多塩基酸とを、公知の条件下、反応させて得られる重縮合物が挙げられる。
多塩基酸としては、例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、メチルコハク酸、グルタール酸、アジピン酸、1,1−ジメチル−1,3−ジカルボキシプロパン、3−メチル−3−エチルグルタール酸、アゼライン酸、セバシン酸、その他の飽和脂肪族ジカルボン酸(C11〜13)、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、その他の不飽和脂肪族ジカルボン酸、例えば、オルソフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トルエンジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸、その他の芳香族ジカルボン酸、例えば、ヘキサヒドロフタル酸、その他の脂環族ジカルボン酸、例えば、ダイマー酸、水添ダイマー酸、ヘット酸などのその他のカルボン酸、および、それらカルボン酸から誘導される酸無水物、例えば、無水シュウ酸、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水2−アルキル(C12〜C18)コハク酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水トリメリット酸、さらには、これらのカルボン酸などから誘導される酸ハライド、例えば、シュウ酸ジクロライド、アジピン酸ジクロライド、セバシン酸ジクロライドなどが挙げられる。
また、ポリエステルポリオールとして、例えば、上記した低分子量ポリオールを開始剤として、ヒドロキシル基含有植物油脂肪酸(例えば、リシノレイン酸を含有するひまし油脂肪酸、12−ヒドロキシステアリン酸を含有する水添ひまし油脂肪酸など)などのヒドロキシカルボン酸を、公知の条件下、縮合反応させて得られる植物油系ポリエステルポリオールなどが挙げられる。
また、ポリエステルポリオールとして、例えば、上記した低分子量ポリオール(好ましくは、2価アルコール)を開始剤として、例えば、ε−カプロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン類を開環重合して得られる、ポリカプロラクトンポリオール、ポリバレロラクトンポリオール、さらには、それらに上記した2価アルコールを共重合したラクトン系ポリエステルポリオールなどが挙げられる。
ポリカーボネートポリオールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオール(好ましくは、2価アルコール)を開始剤とするエチレンカーボネートの開環重合物や、例えば、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−ペンタンジオールや1,6−ヘキサンジオールなどの2価アルコールと、開環重合物とを共重合した非晶性ポリカーボネートポリオールなどが挙げられる。
また、ポリウレタンポリオールは、上記により得られたポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオールおよび/またはポリカーボネートポリオールを、イソシアネート基(NCO)に対する水酸基(OH)の当量比(OH/NCO)が1を超過する割合で、ポリイソシアネートと反応させることによって、ポリエステルポリウレタンポリオール、ポリエーテルポリウレタンポリオール、ポリカーボネートポリウレタンポリオール、あるいは、ポリエステルポリエーテルポリウレタンポリオールなどとして得ることができる。
エポキシポリオールとしては、例えば、上記した低分子量ポリオールと、例えば、エピクロルヒドリン、β−メチルエピクロルヒドリンなどの多官能ハロヒドリンとの反応により得られるエポキシポリオールが挙げられる。
植物油ポリオールとしては、例えば、ひまし油、やし油などのヒドロキシル基含有植物油などが挙げられる。例えば、ひまし油ポリオール、または、ひまし油脂肪酸とポリプロピレンポリオールとの反応により得られるエステル変性ひまし油ポリオールなどが挙げられる。
ポリオレフィンポリオールとしては、例えば、ポリブタジエンポリオール、部分ケン価エチレン−酢酸ビニル共重合体などが挙げられる。
アクリルポリオールとしては、例えば、ヒドロキシル基含有アクリレートと、ヒドロキシル基含有アクリレートと共重合可能な共重合性ビニルモノマーとを、共重合させることによって得られる共重合体が挙げられる。
ヒドロキシル基含有アクリレートとしては、例えば、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、2,2−ジヒドロキシメチルブチル(メタ)アクリレート、ポリヒドロキシアルキルマレエート、ポリヒドロキシアルキルフマレートなどが挙げられる。好ましくは、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
共重合性ビニルモノマーとしては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、s−ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、イソペンチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシルアクリレートなどのアルキル(メタ)アクリレート(炭素数1〜12)、例えば、スチレン、ビニルトルエン、α−メチルスチレンなどの芳香族ビニル、例えば、(メタ)アクリロニトリルなどのシアン化ビニル、例えば、(メタ)アクリル酸、フマル酸、マレイン酸、イタコン酸などのカルボキシル基を含むビニルモノマー、または、そのアルキルエステル、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ブチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、オリゴエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートなどのアルカンポリオールポリ(メタ)アクリレート、例えば、3−(2−イソシアネート−2−プロピル)−α−メチルスチレンなどのイソシアネート基を含むビニルモノマーなどが挙げられる。
そして、アクリルポリオールは、これらヒドロキシル基含有アクリレート、および、共重合性ビニルモノマーを、適当な溶剤および重合開始剤の存在下において共重合させることにより得ることができる。
また、アクリルポリオールには、例えば、シリコーンポリオールやフッ素ポリオールが含まれる。
シリコーンポリオールとしては、例えば、上記したアクリルポリオールの共重合において、共重合性ビニルモノマーとして、例えば、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどのビニル基を含むシリコーン化合物が配合されたアクリルポリオールが挙げられる。
フッ素ポリオールとしては、例えば、上記したアクリルポリオールの共重合において、共重合性ビニルモノマーとして、例えば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレンなどのビニル基を含むフッ素化合物が配合されたアクリルポリオールが挙げられる。
ビニルモノマー変性ポリオールは、上記した高分子量ポリオールと、ビニルモノマーとの反応により得ることができる。
高分子量ポリオールとして、好ましくは、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオールおよびポリカーボネートポリオールから選択される高分子量ポリオールが挙げられる。
また、ビニルモノマーとしては、例えば、上記したアルキル(メタ)アクリレート、シアン化ビニルまたはシアン化ビニリデンなどが挙げられる。これらビニルモノマーは、単独使用または2種類以上併用することができる。また、これらのうち、好ましくは、アルキル(メタ)アクリレートが挙げられる。
そして、ビニルモノマー変性ポリオールは、これら高分子量ポリオール、および、ビニルモノマーを、例えば、ラジカル重合開始剤(例えば、過硫酸塩、有機過酸化物、アゾ系化合物など)の存在下などにおいて反応させることにより得ることができる。
これらポリオール成分は、単独使用または2種類以上併用することができる。
ポリオール成分として、好ましくは、高分子量ポリオール、さらに好ましくは、ポリエステルポリオール、アクリルポリオールが挙げられる。
ポリアミン成分としては、例えば、芳香族ポリアミン、芳香脂肪族ポリアミン、脂環族ポリアミン、脂肪族ポリアミン、アミノアルコール、第1級アミノ基、または、第1級アミノ基および第2級アミノ基を有するアルコキシシリル化合物、ポリオキシエチレン基含有ポリアミンなどが挙げられる。
芳香族ポリアミンとしては、例えば、4,4’−ジフェニルメタンジアミン、トリレンジアミンなどが挙げられる。
芳香脂肪族ポリアミンとしては、例えば、1,3−または1,4−キシリレンジアミンもしくはその混合物などが挙げられる。
脂環族ポリアミンとしては、例えば、3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルアミン(別名: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、2,5(2,6)−ビス(アミノメチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプタン、1,4−シクロヘキサンジアミン、1−アミノ−3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン、ビス−(4−アミノシクロヘキシル)メタン、ジアミノシクロヘキサン、3,9−ビス(3−アミノプロピル)−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン、1,3−および1,4−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンおよびそれらの混合物などが挙げられる。
脂肪族ポリアミンとしては、例えば、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、1,3−プロパンジアミン、1,4−ブタンジアミン、1,5−ペンタンジアミン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、ヒドラジン(水和物を含む。)、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、1,2−ジアミノエタン、1,2−ジアミノプロパン、1,3−ジアミノペンタンなどが挙げられる。
アミノアルコールとしては、例えば、N−(2−アミノエチル)エタノールアミンなどが挙げられる。
第1級アミノ基、または、第1級アミノ基および第2級アミノ基を有するアルコキシシリル化合物としては、例えば、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのアルコキシシリル基含有モノアミン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシランなどが挙げられる。
ポリオキシエチレン基含有ポリアミンとしては、例えば、ポリオキシエチレンエーテルジアミンなどのポリオキシアルキレンエーテルジアミンが挙げられる。より具体的には、例えば、日本油脂製のPEG#1000ジアミンや、ハンツマン社製のジェファーミンED―2003、EDR−148、XTJ−512などが挙げられる。
これらポリアミン成分は、単独使用または2種類以上併用することができる。
なお、本発明では、必要に応じて、公知の添加剤、例えば、可塑剤、ブロッキング防止剤、耐熱安定剤、耐光安定剤、酸化防止剤、離型剤、触媒(上記したウレタン化触媒など)、さらには、顔料、染料、滑剤、フィラー、加水分解防止剤などを添加することができる。これら添加剤は、各成分の合成時に添加してもよく、あるいは、各成分の混合・溶解時に添加してもよく、さらには、合成後に添加することもできる。
そして、本発明のポリウレタン樹脂は、例えば、塗料、接着剤、エラストマー、シーラント、フォームなどとして、各種産業分野において広範に使用することができる。
本発明のポリウレタン樹脂を、例えば、塗料および接着剤として用いる場合には、本発明のポリウレタン樹脂は、上記ポリイソシアネート組成物と、上記活性水素化合物とを、それぞれ調製し、それらを使用時に配合する、二液硬化型ポリウレタン樹脂として調製する。
二液硬化型ポリウレタン樹脂は、好ましくは、二液硬化型塗料および/または二液硬化型接着剤として用いられ、具体的には、まず上記活性水素化合物を用意し、その活性水素化合物とは別途、ポリイソシアネート組成物を調製して、使用直前に、活性水素化合物とポリイソシアネート組成物とを混合して、二液硬化型ポリウレタン樹脂を調製し、その二液硬化型ポリウレタン樹脂を、被塗物または被着物に塗布する。
なお、本発明のポリウレタン樹脂を二液硬化型ポリウレタン樹脂として製造する場合においても、必要に応じて、さらに、公知の添加剤、例えば、塗料組成物としては、着色顔料、染料、紫外線吸収剤、硬化促進剤、光安定剤、つや消し剤など、接着剤組成物としては、塗膜の付着性向上のためのリンの酸素酸またはその誘導体やシランカップリング剤などを、適宜の割合で配合することができる。
着色顔料、染料としては、例えば、耐候性の良好なカーボンブラック、酸化チタンなどの無機顔料、例えば、フタロシアニンブルー、フタロシアニングリーン、キナクリドンレッド、インダンスレンオレンジ、イソインドリノン系イエローなどの有機顔料、染料などが挙げられる。
紫外線吸収剤としては、例えば、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、トリアジン系、シアノアクリレート系の紫外線吸収剤が挙げられ、より具体的には、チヌビン213、チヌビン234、チヌビン326、チヌビン571(以上、チバ・ジャパン社製、商品名)などが挙げられる。
硬化促進剤としては、例えば、ジブチル錫ジラウレートなどが挙げられる。
光安定剤としては、例えば、ヒンダードアミン系光安定剤(例えば、アデカスタブLA62、アデカスタブLA67(以上、アデカアーガス化学社製、商品名)、チヌビン765、チヌビン144、チヌビン770、チヌビン622(以上、チバ・ジャパン社製、商品名)など)、ブレンド系光安定剤(例えば、チヌビンB75、チヌビンPUR866(以上、チバ・ジャパン社製、商品名)など)などが挙げられる。
つや消し剤としては、例えば、超微粉合成シリカなどが挙げられる。つや消し剤を配合すれば、優雅な半光沢、つや消し仕上げの塗膜を形成することができる。
リンの酸素酸またはその誘導体において、リンの酸素酸としては、例えば、次亜リン酸、亜リン酸、オルトリン酸、次リン酸などのリン酸類、例えば、メタリン酸、ピロリン酸、トリポリリン酸、ポリリン酸、ウルトラリン酸などの縮合リン酸類などが挙げられる。
また、リンの酸素酸の誘導体としては、例えば、ナトリウム、カリウムなどのリン酸塩または縮合リン酸塩、例えば、オルトリン酸モノメチル、オルトリン酸モノエチル、オルトリン酸モノプロピル、オルトリン酸モノブチル、オルトリン酸モノ−2−エチルヘキシル、オルトリン酸モノフェニル、亜リン酸モノメチル、亜リン酸モノエチル、亜リン酸モノプロピル、亜リン酸モノブチル、亜リン酸モノ−2−エチルヘキシル、亜リン酸モノフェニルなどのモノエステル類、例えば、オルトリン酸ジ−2−エチルヘキシル、オルトリン酸ジフェニル、オルトリン酸トリメチル、オルトリン酸トリエチル、オルトリン酸トリプロピル、オルトリン酸トリブチル、オルトリン酸トリ−2−エチルヘキシル、オルトリン酸トリフェニル、亜リン酸ジメチル、亜リン酸ジエチル、亜リン酸ジプロピル、亜リン酸ジブチル、亜リン酸ジ−2−エチルヘキシル、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリエチル、亜リン酸トリプロピル、亜リン酸トリブチル、亜リン酸トリ−2−エチルヘキシル、亜リン酸トリフェニルなどのジ、トリエステル類、または、縮合リン酸とアルコール類とから得られるモノ、ジ、トリエステル類などが挙げられる。
リンの酸素酸またはその誘導体は、上記した各種リンの酸素酸またはその誘導体を、単独使用または複数種類併用することができる。
シランカップリング剤は、例えば、構造式R−Si≡(X)またはR−Si≡(R’)(X)(式中、Rは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、イミノ基、イソシアネート基またはメルカプト基を有する有機基を示し、R’は炭素数1〜4の低級アルキル基を示し、Xはメトキシ基、エトキシ基またはクロル原子を示す。)で示される。
シランカップリング剤として、具体的には、例えば、ビニルトリクロルシランなどのクロロシラン、例えば、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−(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、ジ(γ−グリシドキシプロピル)ジメトキシシランなどのエポキシシラン、例えば、N−β−(アミノエチル)−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、N−β−(アミノエチル)−γ−プロピルメチルジメトキシシラン、n−(ジメトキシメチルシリルプロピル)エチレンジアミン、n−(トリエトキシシリルプロピル)エチレンジアミン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランなどのアミノシラン、例えば、ビニルトリエトキシシランなどのビニルシラン、例えば、γ−イソシアナトプロピルトリメトキシシラン、γ−イソシアナトプロピルトリエトキシシランなどのイソシアナトシランなどが挙げられる。
シランカップリング剤は、上記した各種シランカップリング剤を、単独使用または複数種類併用することができる。
これら添加剤は、予め、上記ポリイソシアネート組成物および/または活性水素化合物に配合してもよく、あるいは、ポリイソシアネート組成物および活性水素化合物の配合後の二液硬化型ポリウレタン樹脂に配合することもできる。
本発明のポリウレタン樹脂を二液硬化型ポリウレタン樹脂として製造する場合には、使用時において、ポリイソシアネート組成物と活性水素化合物とを配合して、二液硬化型ポリウレタン樹脂を調製し、それを被塗物または被着物に塗布する。
ポリイソシアネート組成物および活性水素化合物の配合割合は、例えば、活性水素化合物中の活性水素基に対する、ポリイソシアネート組成物中のイソシアネート基の当量比(NCO/活性水素基)として、例えば、0.5〜1.5、好ましくは、0.8〜1.2となる割合である。
そして、このように二液硬化型ポリウレタン樹脂として製造された本発明のポリウレタン樹脂によれば、機械物性に優れる塗膜を得ることができる。
なお、二液硬化型ポリウレタン樹脂は、被塗物または被着物に対して、特に制限されず、例えば、スプレー塗装、エアスプレー塗装、はけ塗り、浸漬法、ロールコーター、フローコーターなどの任意の塗装方法により、塗装することができる。
また、被塗物としては、特に制限されず、例えば、コンクリート、自然石、ガラスなどの無機物、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮、チタンなどの金属、例えば、プラスチック、ゴム、接着剤、木材などの有機物が挙げられる。
また、被着物としては、特に制限されず、例えば、各種建材および各種積層フィルムが挙げられる。
より具体的には、プラスチックフィルム、金属箔、金属蒸着フィルムなどの包装材料、FRP、鋼材などの土木材料などが挙げられる。
さらに、本発明のポリウレタン樹脂は、二液硬化型ポリウレタン樹脂として製造する以外に、例えば、エラストマーなどの用途では、例えば、バルク重合や溶液重合などの重合方法により製造する。
バルク重合では、例えば、窒素気流下において、ポリイソシアネート組成物を撹拌しつつ、これに、活性水素化合物を加えて、反応温度50〜250℃、さらに好ましくは50〜200℃で、0.5〜15時間程度反応させる。
溶液重合では、上記した有機溶剤に、ポリイソシアネート組成物、活性水素化合物を加えて、反応温度50〜120℃、さらに好ましくは50〜100℃で、0.5〜15時間程度反応させる。
さらに、上記重合反応においては、必要に応じて、例えば、アミン類や有機金属化合物などの、上記した公知のウレタン化触媒を添加してもよく、また、(未反応の)ポリイソシアネート組成物を、例えば、蒸留や抽出などの公知の除去手段により除去してもよい。
バルク重合および溶液重合では、例えば、ポリイソシアネート組成物と活性水素化合物とを、活性水素化合物中の活性水素基(水酸基、アミノ基)に対するポリイソシアネート組成物中のイソシアネート基の当量比(NCO/活性水素基)が、例えば、0.75〜1.3、好ましくは、0.9〜1.1となるように配合する。
また、上記重合反応をより工業的に実施する場合には、ポリウレタン樹脂は、その用途に応じて、例えば、ワンショット法およびプレポリマー法などの公知の方法により、得ることができる。また、その他の方法により、ポリウレタン樹脂を、例えば、水系ディスパージョン(PUD)などとして得ることもできる。
ワンショット法では、例えば、ポリイソシアネート組成物と活性水素化合物とを、活性水素化合物中の活性水素基(水酸基、アミノ基)に対するポリイソシアネート組成物中のイソシアネート基の当量比(NCO/活性水素基)が、例えば、0.75〜1.3、好ましくは、0.9〜1.1となるように処方(混合)した後、例えば、室温〜250℃、好ましくは、室温〜200℃で、例えば、5分〜72時間、好ましくは、4〜24時間硬化反応させる。なお、硬化温度は、一定温度であってもよく、あるいは、段階的に昇温または冷却することもできる。
また、プレポリマー法では、例えば、まず、イソシアネート組成物と活性水素化合物の一部(好ましくは、高分子量ポリオール)とを反応させて、分子末端にイソシアネート基を有するイソシアネート基末端プレポリマーを合成する。次いで、得られたイソシアネート基末端プレポリマーと、活性水素化合物の残部(好ましくは、低分子量ポリオールおよび/またはポリアミン成分)とを反応させて、硬化反応させる。なお、プレポリマー法において、活性水素化合物の残部は、鎖伸長剤として用いられる。
イソシアネート基末端プレポリマーを合成するには、ポリイソシアネート組成物と活性水素化合物の一部とを、活性水素化合物の一部中の活性水素基に対するポリイソシアネート組成物中のイソシアネート基の当量比(NCO/活性水素基)が、例えば、1.1〜20、好ましくは、1.3〜10、さらに好ましくは、1.3〜6となるように処方(混合)し、反応容器中にて、例えば、室温〜150℃、好ましくは、50〜120℃で、例えば、0.5〜18時間、好ましくは、2〜10時間反応させる。なお、この反応においては、必要に応じて、上記したウレタン化触媒を添加してもよく、また、反応終了後には、必要に応じて、未反応のポリイソシアネート組成物を、例えば、蒸留や抽出などの公知の除去手段により、除去することもできる。
次いで、得られたイソシアネート基末端プレポリマーと、活性水素化合物の残部とを反応させるには、イソシアネート基末端プレポリマーと、活性水素化合物の残部とを、活性水素化合物の残部中の活性水素基に対するイソシアネート基末端プレポリマー中のイソシアネート基の当量比(NCO/活性水素基)が、例えば、0.75〜1.3、好ましくは、0.9〜1.1となるように処方(混合)し、例えば、室温〜250℃、好ましくは、室温〜200℃で、例えば、5分〜72時間、好ましくは、1〜24時間硬化反応させる。
また、ポリウレタン樹脂を水系ディスパージョンとして得るには、例えば、まず、ポリイソシアネート組成物と、後述する親水基を含有する活性水素化合物(以下、親水基含有活性水素化合物と略する。)を含む活性水素化合物とを反応させることにより、イソシアネート基末端プレポリマーを得る。
次いで、得られたイソシアネート基末端プレポリマーと鎖伸長剤とを水中で反応させて分散させる。これによって、イソシアネート基末端プレポリマーが鎖伸長剤によって鎖伸長された水性ポリウレタン樹脂を、内部乳化型の水系ディスパージョンとして得ることができる。
イソシアネート基末端プレポリマーと鎖伸長剤とを水中で反応させるには、例えば、まず、イソシアネート基末端プレポリマーを水に添加して、イソシアネート基末端プレポリマーを分散させる。次いで、これに鎖伸長剤を添加して、イソシアネート基末端プレポリマーを鎖伸長する。
親水基含有活性水素化合物は、親水基と活性水素基とを併有する化合物であって、親水基としては、例えば、アニオン性基(例えば、カルボキシル基など)、カチオン性基、ノニオン性基(例えば、ポリオキシエチレン基など)が挙げられる。親水基含有活性水素化合物として、より具体的には、カルボン酸基含有活性水素化合物、ポリオキシエチレン基含有活性水素化合物などが挙げられる。
カルボン酸基含有活性水素化合物としては、例えば、2,2−ジメチロール酢酸、2,2−ジメチロール乳酸、2,2−ジメチロールプロピオン酸、2,2−ジメチロールブタン酸、2,2−ジメチロール酪酸、2,2−ジメチロール吉草酸などのジヒドロキシルカルボン酸、例えば、リジン、アルギニンなどのジアミノカルボン酸、または、それらの金属塩類やアンモニウム塩類などが挙げられる。
ポリオキシエチレン基含有活性水素化合物は、主鎖または側鎖にポリオキシエチレン基を含み、2つ以上の活性水素基を有する化合物であって、例えば、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレン側鎖含有ポリオール(側鎖にポリオキシエチレン基を含み、2つ以上の活性水素基を有する化合物)などが挙げられる。
これら親水基含有活性水素化合物は、単独使用または2種類以上併用することができる。
鎖伸長剤としては、例えば、上記した2価アルコール、上記した3価アルコールなどの低分子量ポリオール、例えば、脂環族ジアミン、脂肪族ジアミンなどのジアミンなどを使用することができる。
これら鎖伸長剤は、単独使用または2種類以上併用することができる。
このように、親水基含有活性水素化合物を含む活性水素化合物を使用する場合には、必要により、親水基を公知の中和剤で中和する。
また、活性水素化合物として、親水基含有活性水素化合物を使用しない場合には、例えば、公知の界面活性剤を用いて乳化することにより、外部乳化型の水系ディスパージョンとして得ることができる。
以下に、実施例および比較例を挙げて、本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の説明において、特に言及がない限り、「部」および「%」は質量基準である。また、製造例などに用いられる測定方法を、以下に示す。
<イソシアネート基濃度(単位:質量%)>
ポリイソシアネート組成物のイソシアネート基濃度は、電位差滴定装置を用いて、JIS K−1556に準拠したn−ジブチルアミン法により測定した。
<残存モノマー濃度の測定(単位:質量%)>
高速液体クロマトグラフProminence(吸光度検出器SPD−20A、カラムオーブンCTO−20A、オートサンプラーSIL−20A、送液ユニットLC−20AT、デガッサDGU−20A3(以上、すべて島津製作所社製))を用いて、残存モノマー量を測定し、残存モノマー濃度を算出した。装置条件および測定方法を以下に示す。
・カラム:SHISEIDO SILICA SG−120(5μm、0.15m×φ0.2mm)
・移動相:n−ヘキサン/メタノール/1,2−ジクロロエタン=90/5/5(体積比)
・流速:0.2mL/min
・カラム温度:40℃
・注入量:1μL
・検出器(検出条件):225nm
ポリイソシアネート組成物0.1gを精秤し、ジベンジルアミン10mLと反応させ、1,2−ジクロロエタンを40mL加えた液を高速液体クロマトグラフにて測定した。
なお、事前に、イソシアネートモノマーを同様の手法にて濃度を変えたサンプルを調製し、検量線を作成しておいた。
得られた測定結果から、検量線を用いて、残存モノマー濃度を得た。
<粘度測定(単位:mPa・s)>
E型粘度計TV−30(東機産業社製)を用いて、25℃で測定した。
<GPCによる数平均分子量および数平均分子量400〜900の面積%(400−900比率)の測定>
試料30mgを、テトラヒドロフラン10mlに溶解させ、0.3w/v%溶液として、調製した。
HLC−8220GPC(東ソー社製)において、カラムTSKgelG1000HXL(東ソー社製)、TSKgelG2000HXL(東ソー社製)およびTSKgelG3000HXL(東ソー社製)を直列に連結した。
テトラヒドロフランを遊離液として使用し(サンプル濃度0.3w/v%)、検出器として示差屈折率計を用い、流量を0.8mL/min、カラムおよび検出器をそれぞれ40℃として、分子量106〜22450の範囲の標準ポリエチレンオキシド(商品名:TSK標準ポリエチレンオキシド、東ソー社製)により、検量線を作成し、EcoSEC−WorkStation(東ソー社製)を使用して、ポリイソシアネート組成物の数平均分子量を求めた。
さらに、同装置にて、得られたクロマトグラムから分子量400から900の間の面積%(全ピーク面積に対する、ポリエチレンオキシド換算分子量400〜900の範囲に含まれるピークの占める面積の割合)を求め、400−900比率とした。
(1,5−ペンタメチレンジイソシアネートの製造)
製造例1
1,5−ジアミノペンタンを原料として、冷熱2段ホスゲン化法を加圧下で実施した。
すなわち、電磁誘導撹拌機、自動圧力調整弁、温度計、窒素導入ライン、ホスゲン導入ライン、凝縮器、原料フィードポンプを備え付けたジャケット付き加圧反応器に、オルトジクロロベンゼン2000質量部を仕込んだ。次いで、ホスゲン2300質量部をホスゲン導入ラインより加え、撹拌を開始した。反応器のジャケットには冷水を通し、内温を約10℃に保った。そこへ、1,5−ジアミノペンタン400質量部をオルトジクロロベンゼン2600質量部に溶解した溶液を、フィードポンプにて60分かけてフィードし、30℃以下、常圧下で冷ホスゲン化を開始した。フィード終了後、加圧反応器内は淡褐白色スラリー状液となった。
次いで、反応器の内液を60分かけて160℃に昇温しながら0.25MPaに加圧し、さらに圧力0.25MPa、反応温度160℃で90分間熱ホスゲン化した。また、熱ホスゲン化の途中で、ホスゲンを1100質量部追加した。熱ホスゲン化の過程で加圧反応器内液は淡褐色澄明溶液となった。熱ホスゲン化終了後、100〜140℃で窒素ガスを100L/時で通気し、脱ガスした。
次いで、減圧下で溶媒のオルトジクロルベンゼンを留去した後、同じく減圧下で1,5−ペンタメチレンジイソシアネート(以下、1,5−PDIと略する。)を留去させた。
次いで、留去させた1,5−PDIを、攪拌機、温度計、還流管、および、窒素導入管を備えた4つ口フラスコに装入し、窒素を導入しながら、常圧下で、190℃、3時間加熱処理した。
次いで、加熱処理後の1,5−PDIを、ガラス製フラスコに装入し、充填物(住友重機械工業社製、商品名:住友/スルザーラボパッキングEX型)を4エレメント充填した蒸留管、還流比調節タイマーを装着した蒸留塔(柴田科学社製、商品名:蒸留頭K型)、および、冷却器を装備する精留装置を用いて、127〜132℃、2.7KPaの条件下、さらに還流しながら精留し、1,5−PDIを480質量部得た。
得られた1,5−PDIのガスクロマトグラフィー測定による純度は99.9%であった。
(ポリイソシアネート組成物の製造)
実施例1
攪拌機、温度計、還流管、および、窒素導入管を備えた4つ口フラスコに、製造例の1,5−PDI 500質量部、および、低分子量ポリオールとしてトリメチロールプロパン(略号:TMP)50.0質量部を装入した(当量比(NCO/OH)=5.8)。窒素雰囲気下、75℃まで昇温し、トリメチロールプロパンが溶解したことを確認した後、イソシアネート基濃度が計算値(未反応のイソシアネート基の理論量。表1参照。)に達するまで、83℃で反応させた。
次いで、この反応溶液を55℃まで降温した後、混合抽出溶剤(n−ヘキサン/酢酸エチル=90/10(質量比))を350質量部加え、10分間撹拌し、10分間静置した後、抽出溶剤層を除去した。同抽出操作を4回繰り返した。
その後、得られた反応液から、減圧下、80℃に加熱して、反応液中に残留する抽出溶剤を除去し、ポリイソシアネート組成物Aを得た。
このポリイソシアネート組成物Aの残存モノマー濃度は0.3質量%、GPCにより測定される数平均分子量は622、イソシアネート基濃度は20.1質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、40%であった。このGPCのチャート(ゲルパーミエーションクロマトグラム)を図1に示す。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、510mPa・sであった。結果を表1に示す。
実施例2
低分子量ポリオールとして、トリメチロールプロパン43.5質量部と、1,3−ブタンジオール(略号:1,3−BD)4.9質量部との混合物(平均官能基数:2.9)を用いた(当量比(NCO/OH)=6.0)他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Bを得た。
このポリイソシアネート組成物Bの残存モノマー濃度は0.4質量%、GPCにより測定される数平均分子量は559、イソシアネート基濃度は19.0質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、43%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、400mPa・sであった。結果を表1に示す。
実施例3
低分子量ポリオールとして、トリメチロールプロパン45.9質量部と、SOR−400(ポリオキシアルキレンポリオール、三井化学社製、官能基数:6、数平均分子量:842)7.6質量部との混合物(平均官能基数:3.1)を用い(当量比(NCO/OH)=6.0)、混合抽出溶剤(n−ヘキサン/酢酸エチル=80/20(質量比))を用いた他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Cを得た。
このポリイソシアネート組成物Cの残存モノマー濃度は0.4質量%、GPCにより測定される数平均分子量は840、イソシアネート基濃度は18.7質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、36%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、2300mPa・sであった。結果を表1に示す。
実施例4
低分子量ポリオールとして、トリメチロールプロパン82.9質量部を用い(当量比(NCO/OH)=3.5)、混合抽出溶剤(n−ヘキサン/酢酸エチル=80/20(質量比))を用いた他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Dを得た。
このポリイソシアネート組成物Dの残存モノマー濃度は0.5質量%、GPCにより測定される数平均分子量は800、イソシアネート基濃度は18.0質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、33%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、2000mPa・sであった。結果を表1に示す。
比較例1
低分子量ポリオールとして、トリメチロールプロパン116.0質量部を用い(当量比(NCO/OH)=2.5)、混合抽出溶剤(n−ヘキサン/酢酸エチル=80/20(質量比))を用い、反応温度を130℃とした他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Eを得た。
このポリイソシアネート組成物Eの残存モノマー濃度は0.5質量%、GPCにより測定される数平均分子量は1500、イソシアネート基濃度は15.2質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、23%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、5000mPa・sであった。結果を表1に示す。
比較例2
低分子量ポリオールとして、トリメチロールプロパン24.2質量部と、SOR−400 75.8質量部との混合物(平均官能基数:4.0)を用い(当量比(NCO/OH)=6.0)、混合抽出溶剤(n−ヘキサン/酢酸エチル=75/25(質量比))を用いた他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Fを得た。
このポリイソシアネート組成物Fの残存モノマー濃度は0.5質量%、GPCにより測定される数平均分子量は3700、イソシアネート基濃度は17.0質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、10%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、100000mPa・sであった。結果を表1に示す。
比較例3
1,5−PDIに代えて、ヘキサメチレンジイソシアネート(三井化学社製、商品名:タケネート700、HDI)500質量部を用い、低分子量ポリオールとしてトリメチロールプロパン45.8質量部を用いた(当量比(NCO/OH)=5.8)他は、実施例1と同様の操作にて、ポリイソシアネート組成物Gを得た。
このポリイソシアネート組成物Gの残存モノマー濃度は0.5質量%、GPCにより測定される数平均分子量は766、イソシアネート基濃度は17.1質量%、GPCのチャートにおける数平均分子量400から900の間の面積%は、45%であった。
また、さらに酢酸エチルを加え、ポリイソシアネート組成物の濃度が75質量%となるように調製したポリイソシアネート組成物の溶液の25℃における粘度は、1100mPa・sであった。結果を表1に示す。
(ポリウレタン樹脂の製造)
調製例1
実施例1で得られたポリイソシアネート組成物Aと、アクリルポリオール(三井化学社製、商品名:タケラックUA−702、以下、UA−702と略する。)を、NCO/OH=1.0の割合で配合し、23℃で90秒間攪拌し、反応混合液を得た。次いで、この反応混合液を、JIS G 3303に準拠した標準試験板(以下、試験板と略する。)に塗布し、その後、80℃で30分、さらに110℃で1時間硬化させ、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂aを得た。
得られたポリウレタン樹脂aを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
調製例2
実施例2で得られたポリイソシアネート組成物Bを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂bを得た。
得られたポリウレタン樹脂bを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
調製例3
実施例3で得られたポリイソシアネート組成物Cを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂cを得た。
得られたポリウレタン樹脂cを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
調製例4
実施例4で得られたポリイソシアネート組成物Dを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂dを得た。
得られたポリウレタン樹脂dを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
比較調製例1
比較例1で得られたポリイソシアネート組成物Eを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂eを得た。
得られたポリウレタン樹脂eを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
比較調製例2
比較例2で得られたポリイソシアネート組成物Fを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂fを得た。
得られたポリウレタン樹脂fを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
比較調製例3
比較例3で得られたポリイソシアネート組成物Gを用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂gを得た。
得られたポリウレタン樹脂gを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
調製例5
UA−702に代えて、ポリエステルポリオール(三井化学社製、商品名:タケラックU−27、以下、U−27と略する。)を用いた以外は、調製例1と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂hを得た。
得られたポリウレタン樹脂hを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
比較調製例4
UA−702に代えて、ポリエステルポリオールU−27を用いた以外は、比較調製例3と同様の条件および操作にて、厚みが約45μmのポリウレタン樹脂iを得た。
得られたポリウレタン樹脂iを、23℃、相対湿度55%の室内にて7日間静置した。
物性評価
各調製例および各比較調製例で得られたポリウレタン樹脂(以下、塗膜と略する。)のマルテンス硬さ、破断強度および耐溶剤性を、以下の方法で測定した。その結果を表2〜3に示す。
<マルテンス硬さ(単位:N/mm)>
試験板に密着した状態の塗膜を、超微小硬度計(島津製作所社製、DUH−211)を用いて、圧子の種類:Triangular115、試験モード:負荷−除荷試験、試験力:10.00mN、負荷速度3.0mN/sec、負荷保持時間:10secの条件にてマルテンス硬さ(HMT115)を測定した。
<破断強度(TS)(単位:MPa)>
塗膜を、幅1cm、長さ10cmのサイズにダンベルで打ち抜いた。次いで、この試験サンプルに対して、引張圧縮試験機(インテスコ社製、Model205N)を用いて、23℃、引張速度10mm/min、チャック間距離50mmの条件で引張試験した。これにより、破断強度(TS)を測定した。
<耐溶剤性(単位:回)>
試験液を充分に含浸させた綿棒を、試験板に密着した塗膜上に置き、一定荷重がかかるようにして約1cmの距離を往復させた。この作業を繰返し、塗膜に損傷が観察された時点で試験を終了させた。往路、復路をそれぞれ1回とし、塗膜に損傷が観察されるまでの回数を耐溶剤性とした。試験液は、酢酸エチル、トルエンとした。
Figure 0005270446
Figure 0005270446
Figure 0005270446
なお、表1〜3中の略号の詳細を下記に示す。
1,5−PDI:1,5−ペンタメチレンジイソシアネート
HDI:ヘキサメチレンジイソシアネート、三井化学社製、商品名:タケネート700
TMP:トリメチロールプロパン
1,3−BD:1,3−ブタンジオール
SOR−400:ポリオキシアルキレンポリオール、三井化学社製、官能基数:6、数平均分子量:842
n−Hex:n−ヘキサン
EA:酢酸エチル
UA−702:アクリルポリオール、三井化学社製、商品名:タケラックUA−702
U−27:ポリエステルポリオール、三井化学社製、商品名:タケラックU−27

Claims (3)

  1. ペンタメチレンジイソシアネートと低分子量ポリオールとの反応により得られるポリイソシアネート組成物であって、
    低分子量ポリオールの平均官能基数が、2.1〜3.8であり、
    ポリイソシアネート組成物のイソシアネート基濃度が、17〜22質量%であることを特徴とする、ポリイソシアネート組成物。
  2. ゲルパーミエーションクロマトグラムにおいて、ポリエチレンオキシド換算分子量400〜900の範囲に含まれるピークの占める面積の割合が、全ピーク面積の35%以上であることを特徴とする、請求項1に記載のポリイソシアネート組成物。
  3. 請求項1または2に記載のポリイソシアネート組成物と、活性水素化合物とを反応させることにより得られることを特徴とする、ポリウレタン樹脂。
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