JP5569518B2 - 含フッ素シード重合体粒子の水性分散液の製造方法、および水性塗料組成物ならびに塗装物品 - Google Patents

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Description

本発明は、界面活性能を有する非フッ素系化合物の存在下で得られる含フッ素重合体粒子を用いた含フッ素シード重合体粒子の水性分散液の製造方法に関する。
含フッ素重合体は、その卓越した耐薬品性、耐溶剤性、耐熱性、防汚性を示すことから、これらの特性を活かした各種の製品の原料として、自動車工業、半導体工業、化学工業、塗料等の広い産業分野において使用されている。
これらの含フッ素重合体の製造は、フルオロオレフィンを乳化重合、懸濁重合または溶液重合することにより行なわれている。通常、乳化重合法では界面活性剤が使用されるが、界面活性剤の使用量が多くなるほど、乳化重合の初期に生成する重合体粒子の数が増え、その重合速度は早くなり、含フッ素重合体の生産効率が向上する。しかし、界面活性剤を多量に使用した場合、界面活性剤が得られた含フッ素重合体の耐水性などの諸物性を低下させる傾向がある。そのため、従来から、少量の界面活性剤の存在下で、効率よく重合ができ、かつ、含フッ素重合体の諸物性に悪影響を与えることのない製造方法の開発が望まれていた。
このような、状況下、含フッ素重合体の乳化重合で一般的に使用されている、高価な、パーフルオロオクタン酸アンモニウムの代替を目的として、直鎖の脂肪族スルホン酸塩系の界面活性剤を使用した含フッ素重合体の製造方法が提案されている(特許文献1)。しかし、この方法では発生粒子数が少ないという問題がある。
また、非フッ素系の界面活性剤として、アルキルリン酸またはそのエステルを用いる製造方法(特許文献2、3)、4級炭素原子にリン酸やスルホン酸、カルボン酸などが結合した化合物を用いる方法(特許文献4)などが提案されている。
しかし、アルキルリン酸またはそのエステルを用いる場合、発生粒子数、重合速度、得られた重合体の分子量、水性分散液のポリマー濃度、重合温度、重合圧などの点で必ずしも十分とは言えず、また、4級炭素原子にリン酸やスルホン酸、カルボン酸などが結合した化合物を用いる方法では発生粒子数の更なる増加が望まれる。
ところで、フッ素系の材料は高価であり、その使用量を減らす努力がなされている。その1つの方法が、含フッ素重合体粒子にアクリル酸などのエチレン性不飽和単量体をシード重合する方法である(特許文献5)。
米国特許第6512063号明細書 米国特許出願公開第2007/0032591号明細書 米国特許出願公開第2007/0018783号明細書 国際公開第2005/063827号パンフレット 特開平8−67795号公報
しかし、上記の従来の製法で得られた含フッ素重合体粒子を用いてシード重合した含フッ素シード重合体を塗料組成物に用いた場合、基材との密着性が不充分となったり、塗装後すぐに降雨があった場合に雨水に乳化剤が溶け込んで過剰に泡立ったりする場合があった。
本発明は、塗料組成物の塗膜形成成分として用いたときに、発泡性が低く、得られる塗膜の光沢に優れ、基材との密着性にも優れる含フッ素シード重合体粒子の水性分散液を製造する方法を提供することを目的とする。
すなわち本発明は、
(I)式(1):
CH2=CHCH2−O−R (1)
(式中、Rは酸素原子、窒素原子および/または極性基を有していてもよい炭化水素基)
で示される化合物(1)の存在下に少なくとも1種のフルオロオレフィンを含む単量体を水性分散重合して含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液を製造する工程、および
(II)該含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液中でエチレン性不飽和単量体を含フッ素重合体(A)粒子にシード重合する工程
を含む含フッ素シード重合体(B)粒子の水性分散液の製造方法に関する。
本発明の工程(II)においても、化合物(1)を重合系に存在させることが好ましい。
また、本発明において、フルオロオレフィンとしては、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のフルオロオレフィンを含むことが好ましい。
本発明はまた、本発明の製造方法で得られた含フッ素シード重合体(B)粒子を含む水性塗料組成物、および本発明の水性塗料組成物を塗布して形成した塗膜を有する塗装物品にも関する。
本発明によれば、水性塗料組成物の塗膜形成成分として用いたときに、発泡性が低く、得られる塗膜の光沢に優れ、基材との密着性にも優れる含フッ素シード重合体粒子の水性分散液を製造することができる。
本発明の製造方法は、
前記式(1)で示される化合物(1)の存在下に少なくとも1種のフルオロオレフィンを含む単量体を水性分散重合して含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液を製造する工程(I)、および
該含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液中でエチレン性不飽和単量体を含フッ素重合体(A)粒子にシード重合して含フッ素シード重合体(B)粒子の水性分散液を製造する工程(II)
を含む。
以下、各工程について説明する。
工程(I)
工程(I)の式(1):
CH2=CHCH2−O−R (1)
(式中、Rは酸素原子、窒素原子および/または極性基を有していてもよい炭化水素基)
で示される化合物(1)の存在下に少なくとも1種のフルオロオレフィンを含む単量体を水性分散重合して含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液を製造する方法は、新規な方法である。
式(1)で示される化合物(1)のRは酸素原子、窒素原子および/または極性基を有していてもよい炭化水素基である。炭化水素基Rは、酸素原子、窒素原子、極性基を2種以上含んでいてもよい。また、炭化水素基Rは直鎖状でも分岐鎖状でもよい。分子量は45〜5000であることが好ましい。
極性基は炭化水素基Rの末端にあっても、分岐鎖の末端にあってもよい。極性基としては、たとえば−L-+(L-はSO3 -、OSO3 -、PO3 -、OPO3 -、COO-など;M+は1価のカチオン、たとえばリチウムイオン、カリウムイオン、ナトリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、アンモニウムイオンなど)で示される基が例示できる。
式(1)で示される化合物としては、式(1)において、
Rが式(2):
Figure 0005569518
(式中、XはHまたはSO3Y(YはNH4またはアルカリ金属原子、たとえばNa、K);nは0〜19の整数)
で示される化合物(2)、または
Rが式(4):
Figure 0005569518
(式中、AOは炭素数2〜4の直鎖状または分岐鎖状のオキシアルキレン基;XはHまたはSOY(YはNHまたはアルカリ金属原子、たとえばNa、K);rは0〜20の整数;sは正の整数;AOが複数個存在する場合は同一でも互いに異なっていてもよく、また、2種以上のブロック構造を形成していてもよい)
で示される化合物(4)が好ましくあげられる。
式(2)で示されるRを有する化合物(2)としては、
Figure 0005569518
(式中、nは11または12;Xは式(2)と同じ)で示される化合物が好ましい。また、市販品としては、たとえば三洋化成(株)製のエレミノールJS−20などがあげられる。
AOは、エチレンオキサイド(−CH2CH2O−)、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド、テトラヒドロフラン、−CH(CH3)O−などの炭素数2〜4の直鎖状または分岐鎖状のオキシアルキレン基であり、アルキレンオキシドを付加重合するなどの方法により得ることができる。AOがアルキレンオキシドの付加重合により形成される場合は、付加されるアルキレンオキシドなどによりAOが決定される。付加されるアルキレンオキシドなどの重合形態は限定されず、1種のアルキレンオキシドの単独重合、2種以上のアルキレンオキシドのランダム共重合、ブロック共重合またはランダム/ブロック共重合であってもよい。
また、式(4)で示されるRを有する化合物(4)としては、
Figure 0005569518
(式中、AO、X、rおよびsは式(4)と同じ)で示される化合物が好ましい。また、AOについての説明および例示は、上述したとおりである。
市販品としては、たとえば第一工業製薬(株)製のアクアロンKH−10などがあげられる。
本発明の製造方法で重合するフルオロオレフィンは特に限定されず、1種または2種以上が使用できる。フルオロオレフィンとしては、たとえばテトラフルオロエチレン(TFE)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)、
Figure 0005569518
などのパーフルオロオレフィン;クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フッ化ビニル(VF)、フッ化ビニリデン(VdF)、トリフルオロエチレン、トリフルオロプロピレン、ペンタフルオロプロピレン、テトラフルオロプロピレン、ヘキサフルオロイソブテンなどの非パーフルオロオレフィンがあげられる。PAVEとしてはパーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)(PEVE)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)などがあげられる。
また、官能基含有フルオロオレフィンモノマーも使用できる。官能基含有フルオロオレフィンとしては、たとえば式(5):
CX1 2=CX2−(Rf)m−Y1 (5)
(式中、Y1は−OH、−COOH、−SO2F、−SO32(M2は水素原子、NH4基またはアルカリ金属)、カルボン酸塩、カルボキシエステル基、エポキシ基またはシアノ基;X1およびX2は同じかまたは異なりいずれも水素原子またはフッ素原子;Rfは炭素数1〜40の2価の含フッ素アルキレン基または炭素数1〜40のエーテル結合を含有する2価の含フッ素アルキレン基;mは0または1)で示される化合物があげられる。
具体例としては、たとえば
Figure 0005569518
Figure 0005569518
などがあげられる。
非パーフルオロオレフィンとしては、ヨウ素含有モノマー、たとえば特公平5−63482号公報や特開昭62−12734号公報に記載されているパーフルオロ(6,6−ジヒドロ−6−ヨード−3−オキサ−1−ヘキセン)、パーフルオロ(5−ヨード−3−オキサ−1−ペンテン)などのパーフルオロビニルエーテルのヨウ素化物も使用できる。
本発明においては、フルオロオレフィンと共重合可能な非フッ素系単量体を併用してもよい。
本発明では、化合物(1)(界面活性剤)の存在下で水性分散重合を行なう。水性分散重合としては、乳化重合または懸濁重合が例示でき、特に粒子径の小さい重合体粒子を多数生成させる点から、乳化重合が好適である。特に、得られた含フッ素重合体中の界面活性剤が同量であっても、粒子数を多くできる点で、シード重合の初期、すなわちシード粒子の製造に適用する乳化重合が好適である。
化合物(1)の使用量は、たとえば乳化重合の場合、水の全量に対し、10〜5000ppmが好ましく、20〜4000ppmがより好ましい。前記化合物(1)の使用量が、10ppm未満であると、界面活性能が小さくなり発生粒子数が少なくなる傾向にある。
また、前記化合物(1)は単独で使用しても十分に乳化重合が安定して進むが、他の界面活性剤と併用してもよい。
他の界面活性剤としては含フッ素界面活性剤でも非フッ素(炭化水素)界面活性剤(ただし、前記式(1)の化合物は除く)でもよい。
含フッ素界面活性剤としては含フッ素アニオン性界面活性剤が好ましい。
含フッ素アニオン性界面活性剤としては、公知のものが使用でき、たとえば米国特許出願公開第2007/0015864号明細書、米国特許出願公開第2007/0015865号明細書、米国特許出願公開第2007/0015866号明細書、米国特許出願公開第2007/0276103号明細書、米国特許出願公開第2007/0117914号明細書、米国特許出願公開第2007/142541号明細書、米国特許出願公開第2008/0015319号明細書、米国特許第3250808号明細書、米国特許第3271341号明細書、特開2003−119204号公報、国際公開第2005/042593号パンフレット、国際公開第2008/060461号パンフレット、国際公開第2007/046377号パンフレット、国際公開第2007/119526号パンフレット、国際公開第2007/046482号パンフレット、国際公開第2007/046345号パンフレットに記載されたものが例示できる。
併用できる、具体的な含フッ素界面活性剤としては、たとえばF(CF2nCOOM、CF3CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COOM、CF3CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COOM、CF3OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COOM、H(CF2CF22CH2OCF(CF3)COOM、H(CF2mCOOM、C613CH2CH2SO3M、F(CF2CF2pCH2CH2SO3M、F(CF2CF2qCH2CH2SO4M(式中、Mは1価のカチオン;nは2〜5の整数;mは2〜10の整数;pは2〜10の整数;qは2〜10の整数)などがあげられる。
なかでも、炭素数6以下の含フッ素界面活性剤、特に炭素数6以下の含フッ素アニオン性界面活性剤が、得られる重合生成液中の含フッ素重合体の濃度を高くでき、かつ安定な分散液とすることができる点から好ましい。
また、非フッ素(炭化水素)界面活性剤としては、たとえばCH3(CH2rSO3M、CH3(CH2sSO4M、CH3(CH2tCOOM、H(CH2uCOO(CH2CH2O)vH、(NaSO3)CH((CH2wCH3)((CH2xCH3)(式中、Mは1価のカチオン;rは2〜16の整数;sは2〜16の整数;tは2〜16の整数;uは2〜40の整数;vは2〜45の整数;w+x=10〜20)などの炭化水素界面活性剤があげられる。
併用可能な他の界面活性剤の使用量は、たとえば乳化重合の場合、化合物(1)との合計量が、水の全量に対し、10〜5000ppmが好ましく、20〜4000ppmがより好ましい。前記化合物(1)と他の界面活性剤の合計量が、10ppm未満であると、界面活性能が小さくなり発生粒子数が少なくなる傾向にある。
また、併用できる界面活性剤として、分子中にラジカル重合性不飽和結合と親水基とを有する含フッ素化合物からなる含フッ素反応性界面活性剤もあげることができる。含フッ素反応性界面活性剤は、重合時に反応系に存在させた場合、重合体のポリマー鎖の一部分を構成することができる。
反応性界面活性剤としては、たとえば、特開平8−67795号公報に記載されている含フッ素化合物を用いることができる。
重合温度は特に制限はなく、重合開始剤の種類にしたがって最適な温度が採用される。ただ、高くなりすぎると気相部分でのモノマー密度が容易に低下したり、ポリマーの分岐反応が生じたりし、目的とする共重合体が得られないことがある。好ましくは40〜120℃、さらに好ましくは50〜100℃とする。
単量体の供給は連続的であっても逐次供給してもよい。
重合開始剤としては、油溶性の過酸化物も使用できるが、これらの代表的な油溶性開始剤であるジイソプロピルパーオキシジカーボネート(IPP)やジ−n−プロピルパーオキシジカーボネート(NPP)などのパーオキシカーボネート類は爆発などの危険性があるうえ、高価であり、しかも重合反応中に重合槽の壁面などにスケールの付着を生じやすいという問題がある。フルオロポリマーの圧縮永久歪みをよりいっそう低下させるためには、水溶性ラジカル重合開始剤を使用することが好ましい。水溶性ラジカル重合開始剤としては、たとえば過硫酸、過ホウ酸、過塩素酸、過リン酸、過炭酸のアンモニウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩などが好ましくあげられ、特に過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムが好ましい。
重合開始剤の添加量は特に限定されないが、重合速度が著しく低下しない程度の量(たとえば数ppm対水濃度)以上を、重合の初期に一括して、または逐次的に、または連続して添加すればよい。上限は装置面から重合反応熱を除熱できる範囲である。
本発明の製造方法において、さらに分子量調整剤などを添加してもよい。分子量調整剤は、初期に一括して添加してもよいし、連続的または分割して添加してもよい。
分子量調整剤としては、たとえばマロン酸ジメチル、マロン酸ジエチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、コハク酸ジメチルなどのエステル類のほか、イソペンタン、イソプロパノール、アセトン、各種メルカプタン、四塩化炭素、シクロヘキサン、モノヨードメタン、1−ヨードメタン、1−ヨードプロパン、ヨウ化イソプロピル、ジヨードメタン、1,2−ジヨードメタン、1,3−ジヨードプロパンなどがあげられる。
そのほか緩衝剤などを適宜添加してもよいが、その量は本発明の効果を損なわない範囲で用いることが好ましい。
重合圧力は0.1〜10MPa、さらには0.2〜8MPaの範囲で適宜選択すればよく、この範囲内であれば、低圧(0.1〜1MPa)でも高圧(1〜10MPa)でもよい。
撹拌手段としては、たとえばアンカー翼、タービン翼、傾斜翼なども使用できるが、モノマーの拡散とポリマーの分散安定性が良好な点からフルゾーンやマックスブレンドと呼ばれる大型翼による撹拌が好ましい。撹拌装置としては横型撹拌装置でも縦型撹拌装置でもよい。
本発明の工程(I)では、重合生成液中の含フッ素重合体濃度を高くしても安定して得ることができる。たとえば式(1)の化合物を単独で使用した場合では、含フッ素重合体濃度が約45質量%においても安定した含フッ素重合体の水性分散液を得ることができるが、含フッ素界面活性剤、特に炭素数6以下の含フッ素アニオン性界面活性剤を併用するときは、45質量%を超えた高濃度、たとえば45〜55質量%の濃度の含フッ素重合体の水性分散液を安定した状態で得ることができる。
工程(I)で得られる含フッ素重合体(A)粒子は、数平均粒子径が100〜200nm程度であり、数平均分子量が1.0×104〜1.0×106程度で、分子量分布(Mw/Mn)も2〜5程度とシャープなものである。水性分散液中の粒子数は1×1014〜1×1015個/水1g)である。
工程(II)
工程(II)では、工程(I)で得られた含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液をそのまま、または水で希釈し粒子数を調整した水性分散液中でエチレン性不飽和単量体を含フッ素重合体(A)粒子にシード重合する。
工程(II)で行うシード重合は従来公知の重合方法であり(たとえば、特開平8−67795号公報など)、重合体粒子の水性分散液にエチレン性不飽和単量体を加え、重合体粒子(シード粒子)を核としてエチレン性不飽和単量体を水性分散重合させる方法である。
水性分散重合としては、工程(I)と同様に乳化重合または懸濁重合が例示でき、特に重合体粒子の均一化が容易な点から、乳化重合が好適である。本発明の工程(II)におけるシード重合の条件などは従来公知の条件が採用できる。
また、前記化合物(1)は単独で使用しても十分に乳化重合が安定して進むが、他の界面活性剤と併用してもよい。使用する他の界面活性剤としては、工程(I)で例示した化合物と量が工程(II)でも採用できる。
工程(II)における化合物(1)の使用量は、たとえば乳化重合の場合、水の全量に対し、10〜5000ppmが好ましく、20〜4000ppmがより好ましい。前記化合物(1)の使用量が、10ppm未満であると、界面活性能が小さくなり安定な水性分散液が得られにくくなる傾向にある。
工程(II)でシード重合するエチレン性不飽和単量体としては、ラジカル重合性のエチレン性不飽和結合をもつ単量体であればよいが、アクリル酸またはメタクリル酸のエステル類、不飽和カルボン酸類、水酸基含有アルキルビニルエーテル類、カルボン酸ビニルエステル類、α−オレフィン類などが好ましくあげられる。
アクリル酸またはメタクリル酸のエステル類の具体例としては、含フッ素重合体(A)との相溶性が良好な点から、炭素数1〜10のアルキルエステルたとえばメチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、メチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、2−エチルへキシルアクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレートなどの(メタ)アクリル酸などの1種または2種以上が例示できる。
不飽和カルボン酸類の具体例としては、たとえばアクリル酸、メタクリル酸、ビニル酢酸、クロトン酸、桂皮酸、3−アリルオキシプロピオン酸、3−(2−アリロキシエトキシカルボニル)プロピオン酸、イタコン酸、イタコン酸モノエステル、マレイン酸、マレイン酸モノエステル、マレイン酸無水物、フマル酸、フマル酸モノエステル、フタル酸ビニル、ピロメリット酸ビニル、ウンデシレン酸などがあげられる。それらのなかでも単独重合性の低いビニル酢酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、マレイン酸モノエステル、フマル酸、フマル酸モノエステル、3−アリルオキシプロピオン酸、ウンデシレン酸が、単独重合性が低く単独重合体ができにくい点、カルボキシル基の導入を制御しやすい点から好ましい。
水酸基含有アルキルビニルエーテル類の具体例としては、たとえば2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、3−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2−ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、4−ヒドロキシ−2−メチルブチルビニルエーテル、5−ヒドロキシペンチルビニルエーテル、6−ヒドロキシヘキシルビニルエーテル、2−ヒドロキシエチルアリルエーテル、4−ヒドロキシブチルアリルエーテル、グリセロールモノアリルエーテルなどがあげられる。これらのなかでも、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、2−ヒドロキシエチルビニルエーテルが、重合反応性が優れる点で好ましい。
カルボン酸ビニルエステル類の具体例としては、たとえば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、イソ酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、カプロン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、シクロヘキシルカルボン酸ビニル、安息香酸ビニル、パラ−t−ブチル安息香酸ビニルなどがあげられ、塗膜に光沢の向上、ガラス転移温度の上昇などの特性を付与できる。
α−オレフィン類としては、たとえばエチレン、プロピレン、n−ブテン、イソブテンなどがあげられ、塗膜に可とう性の向上などの特性を付与できる。
シード重合に供するエチレン性不飽和単量体は、含フッ素重合体粒子(A)(固形分)100質量部に対して5〜400質量部、さらには10〜150質量部が好ましい。
工程(I)および(II)を経て得られる含フッ素シード重合体(B)粒子は、平均粒子径が110〜300nm程度であり、数平均分子量が1.0×104〜1.0×106程度で、分子量分布(Mw/Mn)も1.5〜4.0程度とシャープなものである。水性分散液中の粒子数は1×1012〜1×1015個/水1gである。
本発明の水性組成物は、種々の用途にそのまま、または適宜修正して適用することができる。代表的な用途としては、たとえば各種塗料、特に水性塗料組成物のほか、フィルムやシートの成形材料などとして有用である。
本発明はまた、本発明の製造方法で得られる含フッ素シード重合体(B)粒子を含む水性塗料組成物にも関する。
本発明の水性塗料組成物は、膜形成材として含フッ素シード重合体(B)粒子を用いるほかは、従来公知の添加剤や配合割合が採用できる。たとえば、含フッ素シード重合体(B)粒子の濃度としては、たとえば10〜60質量%程度の範囲から選定すればよい。
また、顔料入りの水性塗料組成物を調製する場合は、含フッ素シード重合体(B)粒子の水性分散液に、あらかじめサンドミル等の顔料分散機で水、酸化チタンなどの顔料、消泡剤、顔料分散剤、pH調整剤等を分散した顔料分散体の所定量と造膜補助剤の所定量を撹拌混合したのち、増粘剤を所定量加えて混合し、その他必要な添加剤を適宜加えればよい。顔料を加えない水性塗料組成物を調製する場合は、含フッ素シード重合体(B)粒子の水性分散液に、必要に応じ、水、造膜補助剤、消泡剤、増粘剤、pH調整剤、その他所要の添加剤を加えて公知方法で撹拌混合すればよい。
塗料用途の添加剤としては、必要に応じ、造膜補助剤、凍結防止剤、顔料、充填剤、顔料分散剤、消泡剤、レベリング剤、レオロジー調整剤、防腐剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、つや消し剤、潤滑剤、加硫剤等を添加することもできる。
本発明の水性塗料組成物を塗装する方法としては従来公知の方法と条件が採用できる。たとえば、基材にスプレーコーティングやロールコーティング、フローコーティング、ローラー、刷毛による塗装などの塗装方法により塗布して塗膜を形成した後、5〜200℃で乾燥することにより、光沢に優れ、発泡が少なく、耐温水性に富み、凍結と融解が繰り返されても容易に劣化することがない塗膜を形成することができる。
本発明の水性塗料組成物を適用して得られる塗装物品は、幅広い用途で使用可能である。すなわち、電気製品(電子レンジ、トースター、冷蔵庫、洗濯機、ヘアードライアー、テレビ、ビデオ、アンプ、ラジオ、電気ポット、炊飯機、ラジオカセット、カセットデッキ、コンパクトディスクプレーヤー、ビデオカメラなど)の内外装、エアーコンディショナーの室内機、室外機、吹き出口およびダクト、空気清浄機、暖房機などのエアーコンディショナーの内外装、蛍光燈、シャンデリア、反射板などの照明器具、家具、機械部品、装飾品、くし、めがねフレーム、天然繊維、合成繊維(糸状のもの、およびこれらから得られる織物)、事務機器(電話機、ファクシミリ、複写機(ロールを含む)、写真機、オーバーヘッドプロジェクター、実物投影機、時計、スライド映写機、机、本棚、ロッカー、書類棚、いす、ブックエンド、電子白板など)の内外装、自動車(ホイール、ドアミラー、モール、ドアのノブ、ナンバープレート、ハンドル、インスツルメンタルパネルなど)、あるいは厨房器具類(レンジフード、流し台、調理台、包丁、まな板、水道の蛇口、ガスレンジ、換気扇など)の塗装用として、間仕切り、バスユニット、シャッター、ブラインド、カーテンレール、アコーディオンカーテン、壁、天井、床などの屋内塗装用として、外装用としては外壁、手摺り、門扉、シャッターなどの一般住宅外装、ビル外装など、窯業系サイジング材、発泡コンクリートパネル、コンクリートパネル、アルミカーテンウォール、鋼板、亜鉛メッキ鋼板、ステンレス鋼板、塩ビシート、PETフィルム、ポリカーボネート、アクリルフィルムなどの建築用外装材、窓ガラス、その他に広い用途を有する。
つぎに実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
なお、特性の評価に使用した装置および測定条件は以下のとおりである。
(1)平均粒子径
測定装置:HONEYWELL社製のマイクロトラックUPA
測定方法:動的光散乱法
測定する乳濁液を純水で計測可能な濃度に希釈して試料とし、室温にて測定を行う。得られたデータの個数平均径を粒子径とする。
(2)粒子数
計算方法:(1)で求めた平均粒子径と固形分含有量から、重合体比重を1.8として計算する。
(3)NMR分析:
NMR測定装置:VARIAN社製
1H−NMR測定条件:400MHz(テトラメチルシラン=0ppm)
19F−NMR測定条件:376MHz(トリクロロフルオロメタン=0ppm)
(4)分子量分析:
昭和電工製Shodex GPC−104を使用し、標準ポリスチレン換算の重量平均分子量および数平均分子量を求めた。
測定条件
キャリア:テトラヒドロフラン
流速:0.6ml/min
カラム温度:40℃
試料:測定する樹脂の3%THF溶液
(5)メルトフローレート(MFR)値
安田精機製作所社製Dyniscoメルトインデックステスターを用い、約6gの樹脂を250℃±0.5℃に保たれた0.376インチIDシリンダーに投入し、5分間放置して温度が平衡状態に達した後、10Kgのピストン荷重のもとで直径0.0825インチ、長さ0.315インチのオリフィスを通して押し出した同時期に採取する3回の平均値とした。単位はg/10分。
(6)発泡性
被験塗板を23℃で1日間乾燥した後、23℃の水1kgに被験塗板2枚を3日間浸漬し、浸漬した水を100mlのガラス瓶に50g秤取り、手で上下に50回振り混ぜ、直後および30分後の液面からの泡の高さを測定する。
(7)耐温水性試験
被験塗板を23℃で7日間乾燥した後、JIS K5600−6−2に従って60℃の水中に7日間浸漬し、その後23℃で1日間乾燥し、膨れ(JIS K5600−8−2)、割れ(JIS K5600−8−4)、はがれ(JIS K5600−8−5)の等級を評価する。
膨れの等級(JIS K5600−8−2)の評価基準
密度を0〜5の等級(小さい方が0)に、大きさをS1〜S5の等級(S1の方が小さい)に分け、たとえば2(S1)のように記載する。
割れの等級(JIS K5600−8−4)の評価基準
密度を0〜5の等級(小さい方が0)に、大きさをS0〜S5の等級(S0の方が小さい)に、深さをa〜cの等級(aの方が浅い)に分け、たとえば2(S1)bのように記載する。
はがれの等級(JIS K5600−8−5)の評価基準
密度を0〜5の等級(小さい方が0)に、大きさをS1〜S5の等級(S1の方が小さい)に、深さをa〜bの等級(aの方が浅い)に分け、たとえば2(S1)aのように記載する。
(8)耐凍結融解性試験
被験塗板を23℃で7日間乾燥した後、−20℃の空気中に2時間静置し、その後10℃の水中に2時間浸漬する。このサイクルを100回繰り返した後、23℃で1日間乾燥し、耐温水性試験と同様に、膨れ(JIS K5600−8−2)、割れ(JIS K5600−8−4)、はがれ(JIS K5600−8−5)の等級を評価する。
(9)低温造膜性試験
JIS 5663 7.7.3に従って試験板を5±1℃で4時間乾燥した後、さらに5±2℃で16時間水中に浸漬し、その後5±1℃で3時間乾燥し、膨れ(JIS 5600−8−2)、割れ(JIS 5600−8−4)、はがれ(JIS 5600−8−5)の等級を評価する。
(10)光沢(60°鏡面光沢)
JIS K5600−4−7に従い、変角光沢計(日本電色工業(株)VGS(商品名))を用いて被験塗板の表面光沢を測定する。
実施例1(含フッ素シード重合体(B−1)粒子の水性分散液の製造)
工程(I)
2Lのステンレススチール製のオートクレーブに、イオン交換水500g、パーフルオロヘキサン酸アンモニウム(C6)の50質量%水溶液2.2g(パーフルオロヘキサン酸アンモニウムの濃度2200ppm/水。重合溶媒としての水。以下同様)、式(2−1):
Figure 0005569518
(式中、nは11と12の混合物)で示される化合物(2−1)の38質量%水溶液0.789g(化合物(2−1)の濃度600ppm/水)を仕込み、系内を窒素ガスで充分に置換後、減圧にした。続いて重合槽内を系内圧力が0.75〜0.8MPaとなるようにVdF/TFE/CTFE(=72.2/16.0/11.8モル%)混合単量体を圧入し、70℃に昇温した。
ついで過硫酸アンモニウム(APS)1.00g(2000ppm/水)を4mlのイオン交換水に溶解した重合開始剤溶液および酢酸エチル0.75g(1500ppm/水)を窒素ガスで圧入し、600rpmで撹拌しながら反応を開始した。
重合の進行に伴い内圧が降下し始めた時点で、VdF/TFE/CTFE混合単量体(=72.2/16.0/11.8モル%)を内圧が0.75〜0.8MPaを維持するように供給した。重合開始から7時間33分後に未反応単量体を放出し、オートクレーブを冷却して、固形分濃度46.1質量%の含フッ素重合体の水性分散液を得た。
NMR分析により共重合組成を調べたところ、VdF/TFE/CTFE=72.1/14.9/13(モル%)であった。また、得られた含フッ素重合体の平均粒径は112.4nmであり、上記水性分散液中の粒子数は、5.0×1014(個/水1g)であった。
この水性分散液200gを−10℃で24時間凍結させ凝析を行った。得られた凝析物を水洗、乾燥して、含フッ素重合体(A−1)を得た。
この含フッ素重合体(A−1)のMFRは4.96g/10minであった。また、この含フッ素重合体(A−1)をGPCにより測定した数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)は、それぞれ9.12×104および4.03×105であり、分子量分布Mw/Mnは4.42であった。
工程(II)
工程(I)で得られた含フッ素重合体(A−1)粒子の水性分散液(固形分濃度46.2質量%)2409.3gに式(2−1)の化合物43.94g(12900ppm/水)を加えて充分に混合して水性分散液を調製した。
つぎに0.5L容のガラス製セパラブルフラスコにメチルメタクリルレート(MMA)467.5g、ブチルアクリレート(BA)4.8g、アクリル酸(Ac)4.8g、メルカプタン2.4g、水159.0gを加え、乳化機により充分に混合して予備乳化液を調製した。
この予備乳化液の全量を先ほどの含フッ素重合体の水性分散液に徐々に添加し、充分に混合し、その後、さらに界面活性剤としてポリエチレングリコールモノメチルエーテルメタクリレート(日本乳化剤(株)製のRMA-450(商品名))を15.9g(12300ppm/水)、メタクリロイルオキシポリオキシアルキレン硫酸エステルナトリウム塩(三洋化成(株)製のRS−3000(商品名))50%水溶液を95.4g(36800ppm/水)加えて充分に混合した。内温を75℃にまで昇温し、過硫酸アンモニウム(APS)(1質量%水溶液)75.15gを40分ごとに4回に分けて添加しながら重合を進めた。重合開始から2時間後に反応溶液を室温まで冷却して反応を終了し、含フッ素シード重合体(B−1)の水性分散液を得た(得量3046.7g、固形分濃度51.7質量%)。得られたシード重合体の平均粒径は159.4nmであった。
実施例2(含フッ素シード重合体(B−2)粒子の水性分散液の製造)
工程(I)
2Lのステンレススチール製のオートクレーブに、イオン交換水500g、式(2−1):
Figure 0005569518
(式中、nは11と12の混合物)で示される化合物(2−1)の38質量%水溶液0.789g(化合物(2−1)の濃度600ppm/水)を仕込み、系内を窒素ガスで充分に置換後、減圧にした。続いて重合槽内を系内圧力が0.75〜0.8MPaとなるようにVdF/TFE/CTFE(=72.2/16.0/11.8モル%)混合単量体を圧入し、70℃に昇温した。
ついで過硫酸アンモニウム(APS)1.00g(2000ppm/水)を4mlのイオン交換水に溶解した重合開始剤溶液および酢酸エチル0.75g(1500ppm/水)を窒素ガスで圧入し、600rpmで撹拌しながら反応を開始した。
重合の進行に伴い内圧が降下し始めた時点で、VdF/TFE/CTFE混合単量体(=72.2/16.0/11.8モル%)を内圧が0.75〜0.8MPaを維持するように供給した。重合開始から7時間33分後に未反応単量体を放出し、オートクレーブを冷却して、固形分濃度46.1質量%の含フッ素重合体の水性分散液を得た。
NMR分析により共重合組成を調べたところ、VdF/TFE/CTFE=70.2/12.8/17.0(モル%)であった。また、得られた含フッ素重合体の平均粒径は143nmであり、上記水性分散液中の粒子数は、7.43×1014(個/水1g)であった。
この水性分散液200gを−10℃で24時間凍結させ凝析を行った。得られた凝析物を水洗、乾燥して、含フッ素重合体(A−2)を得た。
この含フッ素重合体(A−2)のMFRは6.51g/10minであった。また、この含フッ素重合体(A−2)をGPCにより測定した数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)は、それぞれ2.36×104および7.48×104であり、分子量分布Mw/Mnは3.18であった。
工程(II)
工程(I)で得られた含フッ素重合体(A−2)粒子の水性分散液(固形分濃度46.2質量%)2409.3gに式(2−1)の化合物43.94g(12900ppm/水)を加えて充分に混合して水性分散液を調製した。
つぎに0.5L容のガラス製セパラブルフラスコにメチルメタクリルレート(MMA)467.5g、ブチルアクリレート(BA)4.8g、アクリル酸(Ac)4.8g、メルカプタン2.4g、水159.0gを加え、乳化機により充分に混合して予備乳化液を調製した。
この予備乳化液の全量を先ほどの含フッ素重合体の水性分散液に徐々に添加し、充分に混合し、その後、さらに界面活性剤としてポリエチレングリコールモノメチルエーテルメタクリレート(日本乳化剤(株)製のRMA-450(商品名))を15.9g(12300ppm/水)、メタクリロイルオキシポリオキシアルキレン硫酸エステルナトリウム塩(三洋化成(株)製のRS−3000(商品名))50%水溶液を95.4g(36800ppm/水)加えて充分に混合した。内温を75℃にまで昇温し、過硫酸アンモニウム(APS)(1質量%水溶液)75.15gを40分ごとに4回に分けて添加しながら重合を進めた。重合開始から2時間後に反応溶液を室温まで冷却して反応を終了し、含フッ素シード重合体(B−2)の水性分散液を得た(得量3078.8g、固形分濃度51.0質量%)。得られたシード重合体の平均粒径は166.6nmであった。
比較例1(含フッ素シード重合体(B−3)粒子の水性分散液の製造)
工程(I)
2Lのステンレススチール製のオートクレーブに、イオン交換水500g、パーフルオロオクタン酸アンモニウム(C8)50%水溶液0.5g(パーフルオロオクタン酸アンモニウムの濃度1000ppm/水)とモノステアリン酸ポリエチレングリコール(日光ケミカルズ(株)製のMYS−40(商品名))0.75g(150ppm/水)を仕込み、系内を窒素ガスで充分に置換後、減圧にした。続いて重合槽内を系内圧力が1.00〜1.10MPaとなるようにVdF/TFE/CTFE(=74/14/12モル%)混合単量体を圧入し、60℃に昇温した。
ついで過硫酸アンモニウム(APS)0.20g(400ppm/水)を4mlのイオン交換水に溶解した重合開始剤溶液を窒素ガスで圧入し、600rpmで撹拌しながら反応を開始した。
重合の進行に伴い内圧が降下し始めた時点で、VdF/TFE/CTFE混合単量体(=74/14/12モル%)を内圧が1.00〜1.10MPaを維持するように供給した。また、3時間が経過した時点でAPS0.20g(400ppm/水)を窒素ガスで圧入した。重合開始から8時間後に未反応単量体を放出し、オートクレーブを冷却して、固形分濃度25.5質量%の含フッ素重合体の水性分散液を得た。
NMR分析により共重合組成を調べたところ、VdF/TFE/CTFE=78.5/11.4/10.1(モル%)であった。また、得られた含フッ素重合体の平均粒径は115nmであり、上記水性分散液中の粒子数は、2.23×1014(個/水1g)であった。
この水性分散液200gを−10℃で24時間凍結させ凝析を行った。得られた凝析物を水洗、乾燥して、含フッ素重合体(A−3)を得た。
この含フッ素重合体(A−3)のMFRは5.15g/10minであった。また、この含フッ素重合体(A−3)はTHFに溶解しないため、GPCを用いての分子量は測定できなかった。
工程(II)
工程(I)で得られた含フッ素重合体(A−3)粒子の水性分散液(固形分濃度46.2質量%)2409.3gに式(2−1)の化合物43.94g(12900ppm/水)を加えて充分に混合して水性分散液を調製した。
つぎに0.5L容のガラス製セパラブルフラスコにメチルメタクリルレート(MMA)467.5g、ブチルアクリレート(BA)4.8g、アクリル酸(Ac)4.8g、メルカプタン2.4g、水159.0gを加え、乳化機により充分に混合して予備乳化液を調製した。
この予備乳化液の全量を先ほどの含フッ素重合体の水性分散液に徐々に添加し、充分に混合し、その後、さらに界面活性剤としてポリエチレングリコールモノメチルエーテルメタクリレート(日本乳化剤(株)製のRMA-450(商品名))を15.9g(12300ppm/水)、メタクリロイルオキシポリオキシアルキレン硫酸エステルナトリウム塩(三洋化成(株)製のRS−3000(商品名))50%水溶液を95.4g(36800ppm/水)加えて充分に混合した。内温を75℃にまで昇温し、過硫酸アンモニウム(APS)(1質量%水溶液)75.15gを40分ごとに4回に分けて添加しながら重合を進めた。重合開始から2時間後に反応溶液を室温まで冷却して反応を終了し、含フッ素シード重合体(B−3)の水性分散液を得た(得量3014.7g、固形分濃度51.5質量%)。得られたシード重合体の平均粒径は169.5nmであった。
実施例3〜4および比較例2(水性塗料組成物の調製と塗装)
実施例1〜2および比較例1でそれぞれ製造した含フッ素シード重合体(B)の水性分散液をそのまま用い、かつ、以下の処方で建築用の耐候性水性塗料組成物(白塗料組成物)を調製した。
得られた白塗料組成物をスレート板(予め下塗り塗料(ニチゴー・モビニール(株)製のDK7151(商品名))を乾燥膜厚が150g/m2となるように塗装し、室温で1日間乾燥させたもの)に膜厚が150g/m2となるように刷毛塗りし、室温で1日間乾燥させ、被験塗板を作製した。
この被験塗板について、耐凍結融解性、耐温水性、低温造膜性、発泡性および光沢(60°)を調べた。結果を表1に示す。
(白塗料組成物の処方)
含フッ素シード重合体(B)の水性分散液 65.00質量部
水 9.12質量部
酸化チタン 31.39質量部
顔料分散剤 2.35質量部
凍結防止剤 1.79質量部
pH調整剤 0.04質量部
消泡剤 0.11質量部
増粘剤1 0.38質量部
増粘剤2 0.40質量部
造膜助剤 2.35質量部
また、使用した各成分はつぎのものである。
酸化チタン:石原産業(株)製タイペークCR−97(商品名)
顔料分散剤:サンノプコ(株)製ノプコスパースSN−5027(商品名)
凍結防止剤:エチレングリコール
pH調整剤:アンモニア水
消泡剤:ダウコーニング社製FSアンチフォーム013A(商品名)
増粘剤1:旭電化工業(株)製アデカノールUH−420(商品名)
増粘剤2:ローム・アンド・ハーツ・ジャパン(株)製プライマルASE−60(商品名)
造膜助剤:アジピン酸ジエチル
Figure 0005569518
表1の耐凍結融解性、耐温水性および低温造膜性において「0」は、膨れ、割れ、はがれがいずれも全くなかったことを示している。
表1から、工程(I)で使用する界面活性剤として化合物(2−1)を使用することにより基材との密着性、発泡性および光沢が向上していることが分かる。

Claims (5)

  1. (I)式(1):
    CH=CHCH−O−R (1)
    (式中、Rは酸素原子、窒素原子および/または極性基を有していてもよい炭化水素基)
    で示される化合物(1)の存在下に少なくとも1種のフルオロオレフィンを含む単量体を水性分散重合して含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液を製造する工程、および
    (II)該含フッ素重合体(A)粒子の水性分散液中でエチレン性不飽和単量体を含フッ素重合体(A)粒子にシード重合する工程
    を含み、
    式(1)で示される化合物(1)は、式(1)において、Rが式(2):
    Figure 0005569518
    (式中、XはHまたはSO Y(YはNH またはアルカリ金属原子);nは0〜19の整数)で示される化合物(2)、または、Rが式(4):
    Figure 0005569518
    (式中、AOは炭素数2〜4の直鎖状または分岐鎖状のオキシアルキレン基;XはHまたはSO Y(YはNH またはアルカリ金属原子);rは0〜20の整数;sは正の整数;AOが複数個存在する場合は同一でも互いに異なっていてもよく、また、2種以上のブロック構造を形成していてもよい)で示される化合物(4)である
    含フッ素シード重合体(B)粒子の水性分散液の製造方法。
  2. 工程(II)において、化合物(1)を重合系に存在させる請求項1記載の製造方法。
  3. フルオロオレフィンが、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のフルオロオレフィンを含む請求項1または2記載の製造方法。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られた含フッ素シード重合体(B)粒子を含む水性塗料組成物。
  5. 請求項4記載の水性塗料組成物を塗布して形成した塗膜を有する塗装物品。
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