JP5577034B2 - カチオン重合性組成物及びカチオン重合を制御する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、保存安定性に優れ、重合硬化温度の制御にも優れたカチオン重合性組成物及びカチオン重合を制御する方法に関するものである。
カチオン重合は、カチオン重合開始剤から発生するカチオンの存在により開始されるので、酸素によって重合が阻害されることがないため、特に不活性雰囲気下で実施しなければならないという制限はなく、空気中で速やか且つ完全な重合を行うことができるという利点を有する。そして、カチオン重合性組成物は、塗料、インキ、接着剤、ホトレジスト、成形品材料等に好適に使用されるが、これらの用途にあっては重合性だけでなく、保存安定性に優れることが望まれる。
本発明に関する先行文献には次の文献がある。
特開2001-200049号公報 特開2003-292606号公報 特開2001-30281号公報 特許第3566397号公報 特開H5-5006号公報 特開H6-41215号公報 特開H10-310633号公報 特開S58-57429号公報 高分子,45,(3),128,(1996)
カチオン重合触媒としては、特許文献1、2、4、5及び6記載のスルホニウム塩に代表されるオニウム塩や、特許文献1記載のジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、特許文献3記載のビスアレーン型金属錯体などが知られている。非特許文献1記載のように、これらのうち、ベンゼンスルホニウム塩が、最も幅広く研究されており、市販品としてサンエイドシリーズ(三新化学工業株式会社)等がある。ただし、上記、スルホニウム塩、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩のうち最も活性の高い化合物は、SbF6、SbCl6、SbF5(OH)等のアンチモン塩である。しかし、アンチモンは毒性の高い物質であり、実用上好ましくない。
これらの問題点を解決する手段として、特許文献8記載のように、エポキシ樹脂の硬化剤としてヘテロポリ酸を使用する例がある。しかし、ヘテロポリ酸は超強酸であり、非常に硬化活性が高く、常温でも硬化が始まり短時間でゲル化が進行し、組成物としての安定性が悪く実用上使用は困難である。
本発明は、ヘテロポリ酸化合物をカチオン重合開始剤として含有するカチオン重合性組成物の保存安定性を改善した組成物、及びその重合又は硬化条件を制御する技術を提供する。
へテロポリ酸は、酸化反応触媒、酸触媒として知られており、オレフィン類の過酸化水素酸化反応、テトラヒドロフランの開環重合反応、水和反応、フリーデル・クラフト反応等の触媒として用いられている。しかし、硬化触媒として用いられた例は特許文献8のエポキシ樹脂への適応のみである。この場合は、開環重合反応に対して活性が高いエポキシ化合物にヘテロポリ酸のみを添加しているために、活性が制御できず、実用性が劣る。本発明者らは、ヘテロポリ酸の強い酸強度の制御に着目し、鋭意検討を重ねた結果、 カチオン重合性化合物と、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸化合物及び安定化剤を含有させたカチオン重合性組成物にすることにより、保存安定性を改善した組成物を提供できると共に、その重合硬化条件を制御することができることを見出した。
本発明は、カチオン重合性化合物としてオキセタン化合物と、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸及びカチオン重合を抑制する安定化剤を含有するカチオン重合性組成物であって、カチオン重合性化合物100重量部に対してヘテロポリ酸0.01重量部〜10重量部を配合したこと、及び安定化剤がヘテロポリ酸塩であり、安定化剤をヘテロポリ酸100重量部に対して0.1重量部〜100重量部を配合したことを特徴とするカチオン重合性組成物である。また、本発明はカチオン重合性化合物としてオキセタン化合物と、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸を含有する組成物に、所定温度以下でのカチオン重合を抑制するための安定化剤としてヘテロポリ酸塩を含有させること、を特徴とするカチオン重合性組成物のカチオン重合を制御する方法である。ここで、ヘテロポリ酸とヘテロポリ酸塩の使用量は上記と同じである。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明のカチオン重合性組成物は、カチオン重合性化合物(以下、カチオン重合性化合物又は(A)成分ともいう)と、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸(以下、ヘテロポリ酸又は(B)成分ともいう)及びカチオン重合を抑制する安定化剤(以下、安定化剤又は(C)成分ともいう)を含有する。
(A)成分のカチオン重合性化合物としては、特に限定されるものではないが、カチオン重合する化合物であればよく、カチオン重合性ビニル化合物、ラクトン類、環状エーテル類などが挙げられる。カチオン重合して得られる樹脂は、(A)成分の種類によって異なり、大別して熱可塑性樹脂又は硬化性樹脂(三次元架橋重合物)を与える。好ましくは、常温固体の樹脂又は硬化性樹脂を与えるカチオン重合性化合物である。
カチオン重合性ビニル化合物としては、スチレン、ジビニルベンゼン、ビニルエーテル、ジビニルエーテルなどが挙げられる。環状エーテル類としては、エポキシ化合物、オキセタン化合物のほか、スピロオルソエステル類、ビシクロオルソエステル類、環状カーボナート類などが挙げられる。カチオン重合性化合物は、これらから選ばれる2種以上の混合物であってもよい。
ここで、エポキシ化合物は、オキシラン基を有する化合物を意味し、芳香族エポキシ化合物及び脂環式エポキシ化合物などが包含される。また、オキセタン化合物は、四員環エーテルであるオキセタン環を有する化合物を意味する。
ビニル化合物、ラクトン類、環状エーテル類等は、カチオン重合性の官能基(ビニル基、オキシラン基等)を1以上有すればよいが、硬化性樹脂を目的とする場合は、2以上有することが好ましい。
(B)成分のカチオン重合開始剤としてのヘテロポリ酸についてであるが、例えば、モリブデン(VI)やタングステン(VI)イオンは水中ではオキソ酸になる。これらのオキソ酸は重合して、高分子のポリオキソ酸となる。このとき、同種のオキソ酸だけが重合するのではなく、あるオキソ酸の周りに別種のオキソ酸が重合することがあり。このような化合物をヘテロポリ酸という。中心のオキソ酸を形成する元素をヘテロ元素、その周りで重合するオキソ酸の元素をポリ元素と呼ぶ。ヘテロ元素としては、Si、P、As、S、Fe、Coなどがあり、ポリ元素としてはMo、W、V 等がある。重合時の、ヘテロ元素に対するポリ元素の数も多種類あるため、それらの組合わせで、多くのヘテロポリ酸が製造可能である。本発明でいうヘテロポリ酸には、水素イオンとなる水素原子の一部が金属原子等に置換されていても、水素原子の一部が残り、ヘテロポリ酸としての性質及び重合開始剤としての活性を示す酸性ヘテロポリ酸塩を含む。
(B)成分としては、カチオン重合開始剤としての活性を有するこのようなヘテロポリ酸であれば使用することができ、2種以上のヘテロポリ酸を混合使用してもよい。硬化性能、入手の容易さから、好ましくは、リンタングステン酸、リンモリブデン酸、ケイタングステン酸又はケイモリブデン酸であり、更に好ましくはケイタングステン酸又はケイモリブデン酸である。
(B)成分の配合量は、(A)成分100重量部に対して0.01〜10重量部、好ましくは0.02〜5重量部の範囲が好適である。配合割合が0.01重量部を下回ると硬化性、加工性等が低下し、10重量部を上回ると貯蔵安定性が低下するので好ましくない。
ヘテロポリ酸は、カチオン重合性化合物に溶解しても、固体のまま分散してもよく、溶剤に溶かして溶液として用いることもできる。溶剤としては、ヘテロポリ酸のカチオン重合触媒性能を阻害せず、ヘテロポリ酸を溶解するものであれば使用できる。例えば、水、メタノール、エタノール、THF、DMF、DMAc等の極性溶媒、トルエン、キシレン等の無極性溶媒を用いることができる。また、熱硬化の際に、揮発せず気泡の発生要因となりにくい高沸点極性溶媒も好適に用いることができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、メチルカルビトールなどを用いることができる。
(C)成分のカチオン重合を抑制する安定化剤において、所定温度以下でのカチオン重合を抑制する安定化剤であることが好ましい。所定温度以下でのカチオン重合を抑制するとは、例えば、保存時におけるカチオン重合触媒の活性を制御し、保存安定性を高めることをいう。所定温度は、保存時の温度等によっても変化するが、例えば、100℃以下、好ましくは200℃以下の温度をいう。なお、カチオン重合性組成物をUV等の放射線で硬化させる場合は、所定強度(又は量)以下の放射線でのカチオン重合を抑制する安定化剤であることができる。
かかる安定化剤としては、特許文献1、2、3、4、5、6、7に、スルホニウム塩に代表されるオニウム塩や、特許文献1記載のジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、特許文献3記載のビスアレーン型金属錯体に有効である安定化剤が記載されている。例えば、特許文献1には、イミダゾール/エポキシアダクト体、ジシンアミド、有機酸ヒドラジドが、特許文献2には、第3級アルカノールアミン類、第3級アルキルアミン類が、特許文献3にはキノリン化合物が、特許文献4にはグアニジン系化合物、チアゾール系化合物、チオウレア系化合物、エチレンチオ尿素、アウキルフェニルスルフィド系化合物が、特許文献5、6にはホロゲンイオンか塩素酸イオン、アルキル硫酸イオン、p-トルエンスルホン酸イオンのいずれかで示される求核性対アニオンをもつオニウム塩が、特許文献7には分子内にウレタン結合、アミド結合、尿素結合、カルボジイミド結合を有する化合物及びジアリキルアミノピリジン化合物、プロトン酸化合物が記載されている。
上記特許文献記載の安定化剤は、ヘテロポリ酸への適応の記載はないが、これらの安定化剤が、ヘテロポリ酸の安定化剤として効果があり、重合又は硬化条件も制御し得ることを見出した。更に、ヘテロポリ酸の安定化剤として、ヘテロポリ酸塩が有効であることを見出した。したがって、(C)成分としては、上記特許文献等で公知の安定化剤等の他に、ヘテロポリ酸塩が使用でき、これらは2種以上を混合して使用することもできる。
ヘテロポリ酸塩としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等の金属塩、アンモニウム塩、ピリジニウム塩、キノリニウム塩等の有機塩を挙げることができる。溶解性、入手の容易さから、好ましくは、ナトリウム塩、カリウム塩、セシウム塩、カルシウム塩、アンモニウム塩、ピリジニウム塩である。
(C)成分の配合量は、使用する(B)成分の量や種類によって異なるが、(B)成分100wt部に対して0.1〜100w t部、好ましくは1〜50wt部である。(C)成分が少ないと、カチオン重合組成物の保存安定性が低下し、過剰であると、硬化阻害や硬化物の物性が低下する。(B)成分及び(C)成分の種類及び量を変化させることによって、重合開始温度又は重合開始条件を一定の範囲に自由に制御することが可能となる。
本発明のカチオン重合組成物は、上記(A)成分、(B)成分、(C)成分及び必要により加えられる他の成分を混合して得られる。他の成分としては、溶剤の他、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、離型剤などがある。これらの混合量は、本発明の効果を損なわない範囲で使用される。本発明のカチオン重合組成物は、液状であっても、ペースト状であっても、固体状であってもよいが、液状又はペースト状であることが均一混合の点で好ましい。
本発明のカチオン重合組成物は、組成物とされたのち、通常、常温以下の温度で保存され、使用箇所又は重合を生じさせる箇所に運搬され、そこで加熱等して重合させる方法が適する。
本発明のカチオン重合組成物の重合又は硬化は、常法に従って、該組成物を加熱して熱重合、有利には熱硬化させることによって重合体、有利には硬化物とすることができる。この熱重合又は熱硬化(以下、熱硬化等ともいう)は、カチオン重合組成物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。したがって、熱硬化等の温度は、溶解状態で熱硬化等させる場合は50〜300℃であることが好ましく、溶融状態で熱硬化等させる場合には、カチオン重合性化合物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。
熱硬化等において、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。熱硬化等の時間は、組成物中の成分の種類や熱硬化条件により異なるが、0.1〜10時間、好ましくは0.5〜3時間程度であればよい。なお、熱硬化等は、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。
前記反応溶媒としては、カチオン重合性化合物を膨潤する作用を有し、かつ、組成物中の成分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、これら組成物中の成分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、カチオン重合性化合物1重量に対して1〜10容量倍程度であればよい。
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又はNMPが好ましい。
カチオン重合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、生成した重合物又は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。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、ある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。生成した重合物が熱硬化樹脂である場合は、そのまま又は更に加熱硬化させることにより、不溶不融の三次元構造の硬化物を得ることができる。生成した重合物が熱可塑性樹脂である場合は、溶融条件で真空脱気することなどにより、樹脂を得ることができる。
また、本発明のカチオン重合組成物は、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樹脂又は硬化物とすることもできる。すなわち、該組成物の硬化物又は樹脂を皮膜とする基材を得ることもできる。
カチオン重合性組成物のDSCチャート カチオン重合性組成物のDSCチャート カチオン重合性組成物のDSCチャート
以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。「部」はそれぞれ重量基準である。なお、実施例1〜5は参考例であると理解される。
実施例及び比較例で使用した材料は、以下の通りであり、精製することなくそのまま使用した。
(A)成分
・OXBP: 4,4'-ビス[(3-エチル-3-オキセタニル)メトキシメチル]ビフェニル、宇部興産株式会社製
(B)成分
・ケイタングステン酸:日本無機化学工業株式会社製
(C)成分:
・ケイタングステン酸ナトリウム:日本無機化学工業株式会社製
なお、その他の材料は本文中に記載した。
カチオン重合組成物の重合開始温度はDSCにて測定した。測定温度範囲は、0℃から275℃、昇温速度は10℃/分で行った。
実施例1
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)とプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びp−ヒドロキシフェニルジメチルスルホニウムサルフェート(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定の結果を図1に示した。
実施例2
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及び1,3-ジエチル-2-チオ尿素(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図1に示した。
実施例3
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及び1,3-ジフェニルグアニジン(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図1に示した。
実施例4
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びトリメチルチオ尿素(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図2に示した。
実施例5
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びキノリン(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図2に示した。
実施例6
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びケイタングステン酸ナトリウム(0.002重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図3に示した。
実施例7
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びケイタングステン酸ナトリウム(0.004重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図3に示した。
実施例8
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)のプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液、及びケイタングステン酸ナトリウム(0.01重量部)を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図3に示した。
比較例1
OXBP(100重量部)に、ケイタングステン酸(0.02重量部)をプロピレンカーボネート(0.38重量部)からなる溶液を加え撹拌混合し、カチオン重合組成物を製造した。DSC測定結果を図1、2、3に示した。
図1,2,3に示したように、本発明のカチオン重合性組成物は、カチオン重合性化合物の保存安定性を改善し、硬化温度を制御することが可能である。
産業上の利用の可能性
ヘテロポリ酸をカチオン重合開始剤として含有するカチオン重合性化合物の保存安定性を改善し、重合開始温度又は硬化温度を制御することが可能である。ヘテロポリ酸の良好な重合触媒作用又は硬化性を保持しつつ保存安定性が著しく改善される。このカチオン重合性樹脂組成物が、熱硬化性組成物である場合は、硬化反応により、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、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)

  1. カチオン重合性化合物としてオキセタン化合物、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸、及びカチオン重合を抑制する安定化剤を含有するカチオン重合性組成物であって、カチオン重合性化合物100重量部に対してヘテロポリ酸0.01重量部〜10重量部を配合したこと、及び安定化剤がヘテロポリ酸塩であり、安定化剤をヘテロポリ酸100重量部に対して0.1重量部〜100重量部を配合したことを特徴とするカチオン重合性組成物。
  2. ヘテロポリ酸が、リンタングステン酸、リンモリブデン酸、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸又はこれらの混合物である請求項1記載のカチオン重合性組成物。
  3. カチオン重合性化合物として、カチオン重合性ビニル化合物、ラクトン類、又はエポキシ化合物、スピロオルソエステル類、ビシクロオルソエステル類及び環状カーボナート類から選ばれる環状エーテル類との混合物を含有する請求項1又は2記載のカチオン重合性組成物。
  4. ヘテロポリ酸塩が、ヘテロポリ酸ナトリウム塩、ヘテロポリ酸カリウム塩、ヘテロポリ酸カルシウム塩、ヘテロポリ酸セシウム塩、ヘテロポリ酸アンモニウム塩、ヘテロポリ酸ピリジニウム塩又はこれらの混合物である請求項1〜3のいずれかに記載のカチオン重合性組成物。
  5. オキセタン化合物を含有するカチオン重合性化合物と、カチオン重合開始剤としてヘテロポリ酸を含有する組成物に、安定化剤としてヘテロポリ酸塩を含有させること、カチオン重合性化合物100重量部に対してヘテロポリ酸0.01重量部〜10重量部を配合すること、及びヘテロポリ酸100重量部に対してヘテロポリ酸塩を0.1〜100重量部を配合することを特徴とするカチオン重合性組成物のカチオン重合を制御する方法
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