JP6145174B2 - ポリオール組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、ウレタン化の際の副反応が抑制され、良好な保存安定性や物性を有するポリウレタンなどが製造できるポリオール組成物、および重合触媒の除去操作を行うことなく前記ポリオール組成物を製造するポリオール組成物の製造方法に関する。
本願は、2013年10月24日に、日本に出願された特願2013−220784号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ポリオールは、ポリウレタンやポリエステルなどの原料化合物である。ポリオールの中でも、ポリエステルポリオールは、優れた物性を有しているので、印刷機器用ロール、搬送用ベルト、複写機用ブレードのようなエラストマー部材;ウレタン繊維などの原料として利用されている。
このような、ポリエステルポリオールに関する技術として、例えば、特許文献1は、トリアルキルホスフェートなどのリン酸化合物をポリエステルポリオールに0.05〜1000ppm添加してなる組成物を開示している。特許文献2は、チタン系触媒を使用して製造されたポリエステルポリオールに水を加えて加熱した後、特定構造のリン化合物をチタン原子1モルに対してリン原子が0.01〜2モルとなる量で添加することを含むポリエステルポリオール組成物の製造方法を開示している。特許文献3は、チタン系エステル化触媒を使用して製造されたエステル系高分子ポリオールに、特定構造のリン化合物をチタン原子1モルに対してリン原子1モル以上となるように添加することを含むウレタン化反応速度が抑制されたエステル系高分子ポリオール組成物を開示している。
特許文献4は、芳香族化合物溶媒中リン酸などのプロトン性強酸触媒の存在下に脂肪族2塩基酸と脂肪族ジアルコ−ルとを反応させてポリエステルの製造を行うことを開示している。この製造において、プロトン性強酸触媒の使用量は反応物の0.01〜5重量%であることが好ましいと述べている。
特許文献5は、リン酸ジフェニル、(R)−3,3’−ビス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]−1,1’−ビナフチル−2,2’−ジイル リン酸水素などの置換リン含有化合物の存在下で一種以上の環状モノマーを反応させる段階を含むラクトン、ラクタム、カーボネート、ラクチドおよびグリコリド、オキサゾリン、エポキシド、シクロシロキサンの中から選択される少なくとも一種の環状モノマーからコポリマーを製造する方法を開示している。置換リン含有化合物は、3−フェニル1−プロパノール、n−ペンタノールなどの重合開始剤中の水酸基またはチオール基1モルに対して1〜3モル用いる旨を示している。
さらに非特許文献1は3−フェニル1−プロパノールなどの重合開始剤1モルに対してジフェニルリン酸触媒1モルを用いてε−カプロラクトンまたはδ−バレロラクトンを開環重合させてなるポリエステルポリオールを開示している。
特開昭63−128017号公報 特開平05−239201号公報 特開平10−259295号公報 特開平06−256461号公報 特表2013−513008号公報
Macromolecules 2011,44,1999-2005
リン化合物などの重合触媒が残存するポリマーは、ウレタン化の際に副反応を引き起こしたり、得られるポリウレタンの保存安定性や物性の低下を引き起こしたりすることがある。リン化合物などの重合触媒を取り除くためには沈殿、ろ過、蒸留などの除去操作を行う必要がある。
本発明の目的は、ウレタン化の際の副反応が抑制され、良好な保存安定性や物性を有するポリウレタンなどを製造することができるポリオール組成物、および重合触媒の除去操作を行うことなく前記ポリオール組成物を製造するポリオール組成物の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために検討した結果、以下の形態を包含する本発明を完成するに至った。
〔1〕活性水素を有する化合物と、カルボキシル基、エステル基、および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物とを、前記活性水素を有する化合物1モル部に対して0.0001〜0.05モル部のリン化合物の存在下に、金属系重合触媒を用いずに、反応させることを含むポリオール組成物の製造方法。
〔2〕前記活性水素を有する化合物が式(3)で表される化合物である〔1〕に記載の製造方法。
Figure 0006145174


(式(3)中、X1は共役ジエンに由来する繰り返し単位を含むポリマー鎖を表し、Tは、水素原子または水素原子に置換可能な有機基を表す。)
〔3〕前記共役ジエンが、ブタジエンである〔2〕に記載の製造方法。
〔4〕前記カルボキシル基、エステル基および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物が、環状エステル化合物である〔1〕〜〔3〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
〔5〕前記環状エステル化合物が、式(1)で表される化合物である〔4〕に記載の製造方法。
Figure 0006145174


(式(1)中、R3およびR4はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基を表し、nは2〜7のいずれかの整数を表し、R3同士またはR4同士は同一でもよいし相異してもよい。)
〔6〕環状エステル化合物が、ε−カプロラクトン、γ−ブチロラクトンおよびδ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくともひとつである〔4〕に記載の製造方法。
〔7〕前記リン化合物が、式(2)で表される化合物である〔1〕〜〔6〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
Figure 0006145174


(式(2)中、Xは水酸基またはメルカプト基を表し、Yは酸素原子または硫黄原子を表し、R1およびR2はそれぞれ独立に水素原子または置換基を有してもよい炭素数1〜20の炭化水素基を表し、R1とR2は、直接または結合手を2以上有する原子または官能基を介して結合しZ1,Z2およびPを供にして環を形成してもよく、Z1およびZ2は、それぞれ独立に酸素原子または置換基を有する窒素原子を表す。)
〔8〕ポリエステル鎖を有するポリオールを含有し、金属系重合触媒を実質的に含有せず且つ重合触媒由来のリン元素の含有量が1〜1000ppmである、ポリオール組成物。
〔9〕前記ポリオールが、さらにポリ共役ジエン鎖を有することを特徴とする前記〔8〕に記載のポリオール組成物。
〔10〕前記ポリ共役ジエン鎖がポリブタジエン鎖である、〔9〕に記載のポリオール組成物。
〔11〕前記〔8〕〜〔10〕のいずれかひとつに記載のポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとを反応させて得られるウレタンプレポリマー。
〔12〕前記〔8〕〜〔10〕のいずれかひとつに記載のポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとを反応させて得られるポリウレタン。
本発明に係るポリオール組成物によれば、イソシアネートなどを用いたウレタン化の際に過剰な副反応が進行しないように抑制することができる。また、本発明に係るポリオール組成物の製造方法によれば、重合触媒の除去操作を行うことなく本発明に係るポリオール組成物を製造することができる。さらに本発明に係るポリオール組成物によれば、良好な保存安定性や機械的物性を有するポリウレタンなどを製造することができる。
本発明に係る一実施形態のポリオール組成物は、ポリオールを含有するものである。該ポリオールは、ポリエステル鎖を有するもの、好ましくはポリ共役ジエン鎖とポリエステル鎖とを有するもの、より好ましくはポリブタジエン鎖とポリエステル鎖とを有するものである。ポリオール中のポリエステル鎖の割合は特に限定されないが、好ましくは30質量%以上である。ポリエステル鎖に対するポリ共役ジエン鎖の質量比は、好ましくは10/90〜90/10である。該ポリオールには、必要に応じてポリエーテル鎖、ポリアクリロニトリル鎖、ポリスチレン鎖、アクリロニトリル−スチレン共重合体鎖などの他のポリマー鎖が含まれていてもよい。
また、当該ポリオールは、ポリマー鎖の両末端に水酸基を有する構造のものであることが好ましい。当該ポリオールは、同一分子内に、二重結合、エポキシ基、アルデヒド基、アルコキシ基などの水酸基以外の官能基を有していてもよい。
ポリエステル鎖は、多価カルボン酸、多価カルボン酸エステル、多価カルボン酸ハライド、多価カルボン酸無水物などのカルボキシル基類を複数有する化合物と多価アルコールなどの活性水素を複数有する化合物との重縮合にて成るもの、または一分子内にカルボキシル基類と水酸基とを有する化合物の重縮合にて成るもの(重縮合系ポリエステル)と、活性水素を有する化合物からなる開始剤によるε−カプロラクトンやδ−バレロラクトンなどの環状エステル化合物の開環重合にて成るもの(開環重合系ポリエステル)とがある。なお、「カルボキシル基類」は、カルボキシル基、エステル基、酸ハライド基および酸無水物基を包含するものである。
重縮合系ポリエステルの製造に使用されるカルボキシル基類を複数有する化合物は、ポリエステルの製造において通常に用いられているものである。例えば、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、フマル酸、フタル酸などの多価カルボン酸;モノメチルアジピン酸、モノメチルフマル酸などの多価カルボン酸部分エステル;ジメチルアジピン酸、ジメチルフマル酸、ジメチルフタル酸などの多価カルボン酸多価エステル;アジピン酸メチルエステルクロライド、アジピン酸ジクロライドなどの多価カルボン酸ハライド;無水フタル酸、無水マレイン酸などの多価カルボン酸無水物を挙げることができる。
重縮合系ポリエステルの製造に使用される一分子内にカルボキシル基類と水酸基とを有する化合物としては、グリコール酸、乳酸、4−ヒドロキシブタン酸などのヒドロキシカルボン酸;グリコール酸エチル、乳酸エチルなどのヒドロキシカルボン酸エステルを挙げることができる。
開環重合系ポリエステルの製造に使用される環状エステル化合物は、ポリエステルの製造において通常に用いられているものである。環状エステル化合物としては、ラクトン類;1,4−ジオキサン−2,5−ジオン、3,6−ジメチル−1,4−ジオキサン−2,5−ジオン、1,6−ジオキサセカン−2,7−ジオンなどのラクチド類を挙げることができる。これらのうち、式(1)で表わされる化合物が好ましい。
Figure 0006145174


式(1)中、R3およびR4はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基を表す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基などを挙げることができる。
式(1)中、nは2〜7のいずれかの整数を表し、R3同士またはR4同士は同一でもよいし相異してもよい。
式(1)で表される化合物の具体例としては、γ−ブチロラクトン、γ−ラウロラクトン、γ−ブチロラクトン、η−カプリロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトン、δ−バレロラクトン、α−メチル−ε−カプロラクトン、β−メチル−ε−カプロラクトン、γ−メチル−ε−カプロラクトン、β,δ−ジメチル−ε−カプロラクトンなどを挙げることができる。これらのうち、ε−カプロラクトン、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトンが好ましい。これら環状エステル化合物は1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
重縮合系ポリエステルの製造に使用される活性水素を有する化合物と開環重合系ポリエステルの製造に使用される活性水素を有する化合物とは若干相違する。なお、活性水素は、ラジカルまたはアニオンに対して水素ラジカルまたはプロトンを供給し得る水素原子である。活性水素としては、水酸基(OH)中の水素原子、アミノ基(NH3、NH2、NH)中の水素原子、メルカプト基(SH)中の水素原子、カルボキシル基(COOH)中の水素原子などを挙げることができる。これらのうち、水酸基中の水素原子が好ましい。
重縮合系ポリエステルを製造するために用いられる活性水素を有する化合物は、多価アルコールである。多価アルコールは水酸基を2以上有するものであればそれ以外の分子構造について特に限定されない。すなわち、多価アルコールとして、少なくとも2つの水酸基と他の官能基とを有する化合物を用いることもできる。
多価アルコールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,10−デカンジオール、1,12−ドデカンジオール、スピログリコール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、2,2,4,4−トリメチルペンタンジオール、3-メチル−1,5−ペンタンジオール、シクロヘキサンジオール、4,4’−メチレンビスシクロヘキサノール、4,4’−イソプロピリデンビス−シクロヘキサノール、2−(4−ヒドロキシメチルフェニル)エタノールなどの水酸基を2個有するもの;グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールオクタン、1,2,6−ヘキサントリオール、トリエタノールアミン、トリイソプロパノールアミン、トリアジン−2,4,6−トリオールなどの水酸基を3個有するもの;エリスリトール、ペンタエリスリトール、N,N,N”,N”−テトラキス(2−ヒドロキシエチル)テトラエチレンジアミンなどの水酸基を4個有するもの;ソルビトールなどの糖類アルコール;トリス(2−ヒドロキシエチル)シアヌレート;キシレンジオール、ビスフェノール類、水素化ビスフェノール類などの芳香族多価アルコール類;ポリ(2−メチル−1,3−プロピレンアジペート)ジオール、ポリ(1,4−ブチレンアジペート)ジオールなどの分岐鎖ポリアルキレンカーボネートジオール;ポリヒドロキシル化ポリイソプレン、ポリヒドロキシル化ポリブタジエン、ポリヒドロキシル化ポリイソブチレン;末端水酸基を有するポリラクチド、ポリ(3−ヒドロキシブチレート)、ポリ(3−ヒドロキバレレート)などのポリヒドロキシアルカノエート;デンプン、セルロース、キチン、キトサン、スクロース、デキストランなどの変性または未変性の多糖および小糖(単糖およびオリゴ糖)類;ポリ(4−ヒドロキシブチルメタクリレート)、ポリ(2−ヒドロキシエチルアクリレート)、ポリ(2−ヒドロキシエチルメタクリレート)、ポリ(メチルメタクリレート/2−ヒドロキシエチルメタクリレート)共重合体などのポリ(ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート)類;ポリ(4−ヒドロキシスチレン)、ポリ(4−ヒドロキシ−α−メチルスチレン)、ポリ(4−ヒドロキシスチレン/スチレン)共重合体、(4−ヒドロキシスチレン/メチルメタクリレート)共重合体などを挙げることができる。
開環重合系ポリエステルを製造するために用いられる活性水素を有する化合物は、活性水素を少なくとも1つ有するものであればそれ以外の分子構造について特に限定されない。例えば、前述の多価アルコール; 少なくとも1つの活性水素と水酸基を導入可能なまたは水酸基に変換可能な官能基とを有する化合物などを挙げることができる。少なくとも1つの活性水素と水酸基を導入可能なまたは水酸基に変換可能な官能基と有する化合物としては、例えば、2−メトキシエタノール、2−アセトキシエタノール、モノグリシジルビスフェノール、2−メトキシエタンチオール、2−アセトキシエチルアミン、アリルアルコール、メトキシポリオキシエチレングリコール、アセトキシポリオキシプロピレングリコール、トリメチルシリルオキシポリオキシブチレングリコール、エトキシポリテトラメチレングリコールなどを挙げることができる。水酸基を導入可能なまたは水酸基に変換可能な官能基は、開環重合反応完了後に、水酸基を導入または水酸基に変換することができる。このようにすることで、ポリマー鎖末端に水酸基を有する構造を形成することができる。
本発明においては、ポリエステル鎖を製造するために用いられる活性水素を有する化合物として、多価アルコールが好ましく、ヒドロキシル化ポリイソプレン、ヒドロキシル化ポリブタジエンなどのヒドロキシル化共役ジエン重合体、ヒドロキシル化ポリイソブチレンなどのヒドロキシル化アルキレン類がより好ましく、ヒドロキシル化共役ジエン重合体がさらに好ましい。なお、ヒドロキシル化アルキレン類またはヒドロキシル化共役ジエン重合体の分子量は、好ましくは500〜20000、より好ましくは1000〜7000である。
活性水素を有する化合物のひとつであるヒドロキシル化共役ジエン重合体としては、式(3)で表わされる化合物が好ましい。
Figure 0006145174


式(3)中、X1は共役ジエンに由来する繰り返し単位を含むポリマー鎖を表す。
共役ジエンとしては、1,3−ブタジエン、イソプレン、1,3−ペンタジエンなどを挙げることができる。これらのうち、1,3−ブタジエンが好ましい。共役ジエンから誘導される繰り返し単位には、その反応条件により、1,4−付加重合して得られる繰り返し単位(以下、1,4−構造ということがある。該1,4−構造はトランス体とシス体を含む。)と、1,2−付加重合して得られる繰り返し単位(以下、1,2−構造ということがある。)があるが、そのいずれであってもよい。1,2−構造の量は、特に制限されないが、全繰り返した単位に対して、50モル%以上であるのが好ましく、70モル%以上であるのがより好ましく、80モル%以上であるのがさらに好ましい。共役ジエンに由来する繰り返し単位には二重結合が含まれている。該二重結合は水素付加反応によって単結合に転化されていてもよい。また該二重結合にヒドロキシシラン類を付加させたり、該二重結合を酸化させてエポキシ基に転化させたり、該二重結合にカルボン酸などを付加させてエステル基などに転化させたり、該二重結合にメルカプトアルコール類を付加させたりしていてもよい。
式(3)中、Tは、水素原子または水素原子に置換可能な有機基、好ましくは水素原子を表す。当該有機基としては、メチル基、エチル基などのアルキル基、アリル基などのアルケニル基、プロパルギル基などのアルキニル基、フェニル基などのアリール基、アセチル基などのアシル基、トリメチルシリル基などのシリル基などを挙げることができる。該有機基を、開環重合反応完了後に、水素原子に置き換えることによって、ポリマー鎖末端に水酸基を導入することができる。
式(3)で表される化合物として、NISSO−PB(登録商標) G−1000(日本曹達(株)社製)、NISSO−PB(登録商標) G−2000(日本曹達社製)、NISSO−PB(登録商標) G−3000(日本曹達(株)社製)、NISSO−PB(登録商標) GI−1000(日本曹達(株)社製)、NISSO−PB(登録商標) GI−2000(日本曹達社製)、NISSO−PB(登録商標) GI−3000(日本曹達(株)社製)、PoIy bd R45HT(出光興産(株)社製)などの市販品を用いることができる。これらは1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
活性水素を有する化合物として式(3)で表わされる化合物を用いると、ポリエステル鎖とポリ共役ジエン鎖とを有するポリオール、好ましくはポリエステル鎖とポリブタジエン鎖とを有するポリオールを得ることができる。
ポリエステル鎖を製造するための重合においてはリン化合物が重合触媒として用いられる。本発明においては重合時の反応系内に存在させるリン化合物の量を、活性水素を有する化合物1モル部に対して0.0001〜0.05モル部、より好ましくは0.001〜0.05モル部、さらに好ましくは0.001〜0.01モル部にする。リン化合物の使用量を上記範囲内にすることによってポリオール組成物に含まれるリン元素の量を低減することができる。
リン化合物の使用量は既に述べたとおりであるが、カルボキシル基類を有する化合物100重量部に対して0.01〜1.00質量部の範囲内に設定してもよい。
リン化合物の量が少なすぎると反応速度が遅く、反応完了までに長時間を要する。それを解消するために高温で反応を行うと副反応などが生じて、生成物の収率、純度が低下する。リン化合物の量が多すぎると、その生成物を用いた後工程において、または得られてくる生成物に種々の影響を及ぼし、目的とするポリマーが得られなかったり、得られるポリマーの機械的特性、保存安定性などの物性が劣るようになったりする。
本発明に用いられるリン化合物は、重合反応を触媒的に促進できるものであれば、特に制限されない。具体的には、燐酸、モノフェニルリン酸などの燐酸モノエステル、ジフェニルリン酸などの燐酸ジエステル、亜リン酸、モノフェニル亜リン酸などの亜燐酸モノエステル、次亜リン酸、メチルホスホン酸などのホスホン酸、モノフェニルメチルホスホン酸などのホスホン酸モノエステル、ジメチルホスフィン酸などのホスフィン酸、およびそれらのチオ誘導体(酸素原子の一部または全てが硫黄原子に変換されたもの)、アミド誘導体(酸素原子の一部または全てが窒素原子に置換されたものであり、窒素原子上には水素原子または他の有機基で置換されているもの)などを挙げることができる。
これらの中、式(2)で表される化合物が好ましい。
Figure 0006145174

式(2)中、Xは水酸基またはメルカプト基を表し、Yは酸素原子または硫黄原子を表し、R1およびR2はそれぞれ独立に水素原子または置換基を有してもよい炭素数1〜20の炭化水素基、好ましくは水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。
炭素数1〜20の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、s−ペンチル基、t−ペンチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−テトラデシル基、n−オクタデシル基、フェニル基、ナフチル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基などを挙げることができる。該炭化水素基に有し得る置換基としては、ハロゲノ基、アルコキシ基、アルキルチオ基、モノまたはジアルキルアミノ基、アリール基、ヘテロ環基、アシル基などを挙げることができる。置換基を有する炭素数1〜20の炭化水素基の具体例としては、トリフルオロメチル基、2−クロロエチル基、1−エオトキシエチル基、2−メトキシエチル基、ベンジル基、2−ピリジルメチル基、メトキシメチル基、メチルチオメチル基、ジメチルアミノメチル基、アセチルメチル基などを挙げることができる。
1とR2は、直接または結合手を2以上有する原子または官能基を介して結合しZ1,Z2およびPを供にして環を形成してもよい。
1およびZ2は、それぞれ独立に酸素原子または置換基を有する窒素原子を表す。置換基を有する窒素原子としては、(4−メチルフェニルスルホニル)アミノ基、(4−トリフルオロメチルスルホニル)アミノ基、(2−ナフチルスルホニル)アミノ基などが挙げられる。
式(2)で表される化合物として、下式で表される化合物などを挙げることができる。
Figure 0006145174

R’は、水素原子、フェニル基、3,6−ジフェニルフェニル基、2,4,6−トリメチルフェニル基、3,4,5−トリメチルフェニル基、2,4,6−トリイソプロピルフェニル基、3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル基、4−t−ブチル、2,6−ジイソプロピルフェニル基、4−t−ブチルフェニル基、4−メトキシフェニル基、4−ニトロフェニル基、トリフェニルシリル基、ジフェニル−t−ブチルシリル基、4−ビフェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−アントリル基、9−フェナントリルを表す。
式(2)で表される化合物の具体例としては、リン酸ジメチル、リン酸ジエチル、リン酸ジイソプロピル、リン酸ジ−n−ブチル、リン酸ジイソブチル、リン酸ジ−n−エチルヘキシル、リン酸ジラウリル、リン酸ジオレイル、リン酸ジステアリル、リン酸ジフェニル、リン酸モノメチル、リン酸モノエチル、リン酸モノイソプロピル、リン酸モノ−n−ブチル、リン酸モノイソブチル、リン酸モノ−n−エチルヘキシル、リン酸モノラウリル、リン酸モノオレイル、リン酸モノステアリル、リン酸モノフェニル、3,3’−ビス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]−1,1’−ビナフチル−2,2’−ジイルホスフェート、チオリン酸エステル、メチルチオリン酸、エチルチオリン酸、ジメチルチオリン酸、ジエチルチオリン酸、N,N’−ビス[(トリフルオロメチル)メチル]ジフェニルホスホロアミド、などを挙げることができる、これらの中でも、特にリン酸ジフェニルが好ましい。これらは、一種単独で、または2種以上を混合して用いることができる。
本発明に係る一実施形態のポリオール組成物は、リン元素の含有量が1〜1000ppm、より好ましくは1〜100ppm、さらに好ましくは1〜50ppmである。
リン元素の含有量は誘導結合プラズマ発光分析法(ICP−AES)により測定することができる。リン元素の含有量が多いポリオール組成物とポリイソシアネートとを反応させて得られるポリウレタンは、その収率または純度が低い傾向があり、物性に劣る傾向がある。リン元素の含有量が少ないポリオール組成物の製造は、反応速度が低く生産性に難がある。また、反応速度を高めるために高温度条件にすると副生成物が増える。
本発明の一実施形態に係るポリオール組成物は、その製造方法によって、特に制限されない。本発明においては、前述の活性水素を有する化合物と、カルボキシル基、エステル基、および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物とを、前述のリン化合物の存在下に、金属系重合触媒を用いずに、反応させることを含む製造方法が好ましい。活性水素を有する化合物およびリン化合物は既に述べたとおりのものである。また、カルボキシル基、エステル基および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物は、前述した、カルボキシル基類を複数有する化合物および環状エステル化合物である。ポリエステルの製造においては、一般に、チタン系触媒などの金属系重合触媒が用いられるが、本発明の製造方法においては、この金属系重合触媒を用いない。
反応は、塊状重合法、溶液重合法などいずれの方法でも行うことができる。当該反応は、反応原料を十分に攪拌することができる程度の粘度になるまで反応原料の温度を上げることによって行うことができるが、反応原料が揮発したり、触媒が分解したりするような温度まで上げるのは避けた方が好ましい。反応時の温度は、好ましくは50℃〜200℃、より好ましくは80℃〜150℃である。
反応時間は、反応の規模、反応温度、反応原料の種類や質量比、触媒の種類や使用量などに応じて適宜設定することができ、好ましくは3〜26時間である。
また、反応は連続流通式で行ってもよいしバッチ式で行ってもよい。活性水素を有する化合物とカルボキシル基類を有する化合物の添加方法は特に限定されず、具体的には、活性水素を有する化合物とカルボキシル基類を有する化合物とを混合し次いでそれを反応器に一括的に、連続的にまたは断続的に添加する方法、活性水素を有する化合物とカルボキシル基類を有する化合物のそれぞれを反応器に一括的に、連続的に、断続的に、または交互に添加する方法などを挙げることができる。複数種のカルボキシル基類を有する化合物を使用する場合、一種のカルボキシル基類を有する化合物を反応器に一括添加した後に、他種のカルボキシル基類を有する化合物などを連続的または断続的に添加する方法などを挙げることができる。
本発明においては、通常、反応液中にカルボキシル基類を有する化合物が検出できなくなったところで、反応を終了させる。カルボキシル基類を有する化合物の定量法は特に限定されない。例えば、反応液の粘度を測定する方法、紫外線分光分析法、赤外分光分析法、近赤外分光分析法、核磁気共鳴分光分析法、ガスクロマトグラフ法、液体クロマトグラフ法、ゲル浸透クロマトグラフ法などによって定量することができる。これらのうち、ガスクロマトグラフ法またはゲル浸透クロマトグラフ法が好ましい。
本発明によって得られるポリオール組成物はリン元素の含有量が少なく、金属系重合触媒を実質的に含有していないので、反応終了直後の反応液をそのまま次工程において使うことができる。なお、必要に応じて反応終了直後の反応液を減圧蒸発させて揮発成分を除去したり、公知の精製処理を行って純度を高めたりしてもよい。
本発明に係るポリオール組成物は、ホスゲンなどと反応させてポリカーボネートを得る反応、ポリイソシアネートと反応させてポリウレタンを得る反応などの原料として好適に用いることができる。
本発明に係るポリウレタンは、本発明に係るポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとを反応させて得られるものである。この反応においては必要に応じて鎖延長剤などの添加剤を加えることができる。当該反応は、例えば、プレポリマー法やワンショット法によって行うことができる。
プレポリマー法は、本発明に係るポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとをまず反応させて末端イソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを得、これに鎖延長剤を反応させてポリウレタンを得る方法である。ワンショット法は、本発明に係るポリオール組成物と有機ポリイソシアネートと必要に応じて鎖延長剤とをほぼ同時に反応容器に添加して反応させてポリウレタンを得る方法である。
本発明に用いられる有機ポリイソシアネートは、1分子中に2以上のイソシアネート基を有する有機化合物であれば、その構造は特に制限されず、具体的には、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリメリックMDI、2,4−トリレンジイソシアネート(2,4−TDI)、2,6−トリレンジイソシアネート(2,6−TDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、m−またはp−フェニレンジイソシアネート、m−キシリレンジイソシアネート(XDI)、p−キシリレンジイソシアネート、テトラメチルキシレンジイソシアネート、エチレン−1,2−ジイソシアネート、テトラメチレン−1,4−ジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート、リジントリイソシアネートなどを挙げることができる。これらのうち、有機ジイソシアネート類が好ましい。これらのポリイソシアネートは一種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いてもよい。
有機ジイソシアネートのうち、一分子内にある二つのイソシアネート基が共鳴関係にあるものが、ポットライフの長さ、取扱い性の良さ、ポリウレタンの機械的強度などの観点から、好ましい。一分子内にある二つのイソシアネート基が共鳴関係にある有機ジイソシアネートとしては、2,4−トリレンジイソシアネート(2,4−TDI)、2,6−トリレンジイソシアネート(2,6−TDI)などのトリレンジイソシアネートを挙げることができる。2,4−TDIおよび2,6−TDIはそれぞれ単独で用いることもできるし、一緒に用いることもできる。2,4−TDI/2,6−TDIの使用量比は、質量基準で、好ましくは55/45〜100/0、より好ましくは65/35〜100/0、さらに好ましくは85/15〜100/0である。
ウレタン化反応時に使用する有機ポリイソシアネートの量は、特に制限されないが、ポリオール組成物中の活性水素のモル数に対する有機ポリイソシアネート中のイソシアネート基のモル数の比(Rレシオ値)が、好ましくは1〜10、より好ましくは2〜5、さらに好ましくは2.1〜3.8になるように設定する。
本発明において必要に応じて用いられる鎖延長剤としては、低分子量多価アルコール、低分子量多価アミンなどを挙げることができる。これらのうち、低分子量多価アルコールが好ましい。
低分子量多価アルコールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−メチル−2−プロピル−1,3−プロパンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、2−ブチル−2−ヘキシル−1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール、2,5−ジメチル−2,5−ヘキサンジオール、1,8−オクタンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオールなどの脂肪族ジオール;トリメチロールプロパン、グリセリンなどの脂肪族トリオール;ビスヒドロキシメチルシクロヘキサンなどの脂環族ジオール;キシリレングリコール、ジヒドロキシエトキシベンゼンなどの芳香環を有するジオールなどを挙げることができる。これらの中でも、機械強度、耐水性および取り扱い性に優れるポリウレタンが得られるという観点から、脂肪族ジオール、脂環族ジオールが好ましく、脂肪族ジオールがより好ましい。
低分子量多価アミンとしては、2,4−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、キシリレンジアミン、4,4’−ジフェニルメタンジアミンなどの芳香族ジアミン;エチレンジアミン、1,2−プロピレンジアミン、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジアミン、1,3−ペンタンジアミン、2−メチル−1,5−ペンタンジアミン、2−ブチル−2−エチル−1,5−ペンタンジアミン、1,6−ヘキサンジアミン、2,2,4−トリメチルヘキサンジアミン、2,4,4−トリメチルヘキサンジアミン、1,8−オクタンジアミン、1,9−ノナンジアミン、1,10−デカンジアミンなどの脂肪族ジアミン;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、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、イソプロピリデンシクロヘキシル−4,4’−ジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサンなどの脂環族ジアミンなどを挙げることができる。これらの中でも、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、1,3−ペンタンジアミン、2−メチル−1,5−ペンタンジアミンが好ましい。
ウレタン化反応時に使用する鎖延長剤の量は、特に制限されないが、ポリオール組成物中の活性水素のモル数と鎖延長剤に由来する活性水素のモル数との合計モル数に対する有機ポリイソシアネートに由来するイソシアネート基のモル数の比(NCOインデックスの値)が、好ましくは0.2〜10、より好ましくは0.5〜1.25、さらに好ましくは0.9〜1.1になるように設定する。
ウレタン化反応は、反応原料を十分に攪拌することができる程度の粘度になるまで反応原料の温度を上げることによって行うことができる。反応時の具体的な温度は、好ましくは室温〜200℃、さらに好ましく50〜100℃である。反応時の温度が低すぎると反応の進行が遅く、製造に要する時間が長くなる傾向がある。反応時の温度が高すぎると副反応が生じたり、可使時間が短くなったりして、成型加工処理が困難になる傾向がある。ウレタン化反応は、無溶媒でも、溶媒中でも行うことができる。溶媒は、反応に不活性なものであれば特に限定されない。例えば、トルエン、酢酸エチル、酢酸ブチル、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランなどを挙げることができる。
ウレタン化反応においては触媒を使用することができる。触媒としては、例えば、ジメチルエタノールアミン、トリエチレンジアミン、テトラメチルプロパンジアミン、テトラメチルヘキサメチレンジアミン、ジメチルシクロヘキシルアミンなどの第3級アミン類;スタナスオクテート、オクチル酸カリウム、ジブチルチンジラウレートなどの金属触媒などを挙げることができる。触媒の使用量は有機イソシアネートと鎖延長剤とポリオールとの合計量に対して、好ましくは1〜1000ppm、より好ましくは5〜500ppmである。触媒の使用量が少なすぎると反応が遅くなり、製造に要する時間が長くなる。触媒の使用量が多すぎると発熱が激しく、反応をコントロールしにくい上に、ゲル化物が生成したり、着色したポリウレタンが得られたりすることがある。
本発明のポリウレタンには、本発明の効果を損なわない範囲で適宜その他の添加剤を加えることができる。その他の添加剤としては、難燃剤、劣化防止剤、可塑剤などを挙げることができる。本発明に係るポリウレタンは、スパンデックス、ポリウレタンエラストマー、ウレタンフォーム、接着剤、合成皮革、塗料、シーリング剤などにおいて極めて有利に使用できる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではなく、本趣旨に適合し得る範囲で適宜に変更を加えて実施することがもちろん可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
実施例および比較例においては、下記のとおりの方法で物性を測定した。
〔リン元素の含有量〕
標準溶液(原子吸光分析用リン標準液、1000mg/L、関東化学(株)社製)0.25gまたは試料0.25gをポリプロピレン製試料容器に採取し、N,N−ジメチルアセトアミド/酢酸イソアミル=1/1(容量比、共に和光純薬工業(株)社製)で全量を10gとしたサンプルを調製し、誘導結合プラズマ発光分光(ICP−AES)(サーモフィッシャーサイエンティフィック(株)社製、IRIS Interpid II XDLDUO)を測定し、波長213.618(nm)にて定量した。
〔ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比〕
試料0.03gをクロロホルム−dにて全量を1gとしたサンプルを調製し、1H−NMR(日本電子(株)社製、ECP500)を測定し、各ポリマー鎖に特徴的なピークの積分比より、ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比を決定した。
〔分子量〕
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)による測定に基づいて、標準ポリスチレンの分子量に換算して、分子量を決定した。
〔NCO含量〕
ドライエアーを流しておいた共栓付き三角フラスコにウレタン化反応液約3gを入れ、これにトルエン20mlと、ジブチルアミンのトルエン溶液20mlを加え、15分間撹拌した。次いで、2−プロパノール100mlを加え、これにブロムフェノールブルー指示薬を数滴加え、0.5M塩酸で滴定し、イソシアネート(NCO)基の定量分析を行った。
〈硬度〉
2mm厚のシート6枚を重ねて、AタイプおよびDタイプのデュロメータを用いて硬度Aおよび硬度Dを測定した。
〈引張強度、破断伸び、モジュラス〉
JIS K 7312に準じて、5号ダンベル試験片を作成し、試験機(株式会社島津製作所社製、オートグラフAGS−J(5kN))を用いて、100%モジュラス(M100)、200%モジュラス(M200)、300%モジュラス(M300)、引張強度(TB、破断時の応力)および破断伸び(EB)を測定した。
〈吸水率〉
50mm×50mm×2mm厚の試験片を作成した。該試験片の質量W0を測定した。試験片を23℃の水に24時間浸漬した。水から引き上げて表面の水を拭き取り、試験片の質量W1を測定した。浸漬前の質量W0に対する浸漬による増加質量W1−W0の割合(吸水率)を算出した。
実施例1
セパラブルフラスコに、両末端にヒドロキシエチル基を有するポリブタジエン(NISSO−PB G−1000、日本曹達(株)社製、1,2−構造/1,4−構造のモル比=90.0/10.0、数平均分子量(Mn)=2700、水酸基価=72.5(KOHmg/g))100gと、ε−カプロラクトン(和光純薬工業(株)社製)140gを入れ、60℃に加温し、窒素雰囲気下で均一溶液とした。これにリン酸ジフェニル(東京化成工業(株)社製)0.07g(ポリブタジエン中の活性水素1モル部に対して0.002モル部)を加えて100℃に昇温し、100℃で7時間撹拌した。その後、80℃まで冷却し、フラスコから取り出して、ポリエステルポリオールAを含有する組成物を得た。ポリエステルポリオールAは、数平均分子量(Mn)が6220、重量平均分子量(Mw)が8100、分子量分布(Mw/Mn)が1.302、ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比が40.5/59.5であった。ポリエステルポリオールAを含有する組成物に含まれるリン元素の量は35ppmであった。
セパラブルフラスコに、ポリエステルポリオールAを含有する組成物135.1gを仕込み、系内を減圧した。その後、温度100℃にて撹拌し、系内の水分を除去した。次いで、系内に窒素ガスを導入して、常圧とし、温度80℃に下げた。これにトリレンジイソシアネート(コスモネートT−100、三井化学(株)社製)13.1g(Rレシオ=2.1)を加え、80℃にて1時間撹拌した。NCO含量が理論値(=2.2%)±0.5%の範囲内となるまで反応を進行させて、ウレタンプレポリマーAを得た。
ウレタンプレポリマーA 145.2gを、80℃にて、攪拌しながら減圧状態にて30分間脱泡した。次いで系内に窒素を導入して常圧に戻した。これに、1,4−ブタンジオール3.3g(NCOインデックス=1.05)を添加し、3分間撹拌した。得られたウレタン化反応液を直ちに、離型剤処理を施したガラス板に、厚さ2mmとなるように流涎した。なお、ガラス板の縁に2mm厚のシリコンゴムを設置し壁とした。これを100℃にて2時間、110℃にて15時間反応させた。得られた2mm厚のシートをガラス板から剥がし、100℃にて14時間アニール処理を行って、ポリウレタンAを得た。ポリウレタンAの外観は淡黄色透明であった。ポリウレタンAの評価結果を表1に示す。
実施例2
リン酸ジフェニルの量を0.14g(ポリブタジエン中の活性水素1モル部に対して0.004モル部)に変更した以外は実施例1と同じ方法でポリエステルポリオールBを含有する組成物を得た。ポリエステルポリオールBは、数平均分子量(Mn)が6620、重量平均分子量(Mw)が8890、分子量分布(Mw/Mn)が1.344、ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比が40.0/60.0であった。また、ポリエステルポリオールBを含有する組成物に含まれるリン元素の量は70ppmであった。
ポリエステルポリオールAを含有する組成物の代わりにポリエステルポリオールBを含有する組成物を用いた以外は実施例1と同じ方法でポリウレタンBを得た。ポリウレタンBの外観は茶色で不透明であった。ポリウレタンBの評価結果を表1に示す。
実施例3
ポリブタジエン(NISSO−PB G−1000)の量を200g、ε−カプロラクトンの量を281.7g、およびリン酸ジフェニルの量を2.82g(ポリブタジエン中の活性水素1モル部に対して0.04モル部)に変更した以外は実施例1と同じ方法でポリエステルポリオールCを含有する組成物を得た。ポリエステルポリオールCは、数平均分子量(Mn)が6425、重量平均分子量(Mw)が8475、分子量分布(Mw/Mn)が1.319、ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比が39.7/60.3であった。また、ポリエステルポリオールCを含有する組成物に含まれるリン元素の量は730ppmであった。
ポリエステルポリオールAを含有する組成物の代わりにポリエステルポリオールCを含有する組成物を用いた以外は、実施例1と同じ方法でポリウレタンCを得た。ポリウレタンCの外観は茶色で不透明であった。ポリウレタンCの評価結果を表1に示す。
比較例1
セパラブルフラスコに、トルエン378.4g、ε−カプロラクトン94.6g、両末端にヒドロキシエチル基を有するポリブタジエン(NISSO−PB G−1000、日本曹達(株)社製、1,2−構造/1,4−構造のモル比=90.2/9.8、数平均分子量(Mn)=2700、水酸基価=70.7(KOHmg/g)70.0gおよびリン酸ジフェニル23.7g(ポリブタジエン中の活性水素1モル部に対して1モル部)を連続して添加した。添加終了後、室温で24時間撹拌した。得られたウレタン化反応液から揮発成分をエバポレーターで減圧留去して、ポリエステルポリオールDを含有する組成物を得た。
ポリエステルポリオールDは、数平均分子量(Mn)が4640、重量平均分子量(Mw)が8080、分子量分布(Mw/Mn)が1.743、ポリブタジエン鎖/ポリカプロラクトン鎖の質量比が44.6/55.4であった。また、ポリエステルポリオールDを含有する組成物に含まれるリン元素の量は15000ppmであった。
ポリエステルポリオールAを含有する組成物の代わりにポリエステルポリオールDを含有する組成物を用いた以外は実施例1と同じ方法でポリウレタンDを得ようとしたが、茶色透明な粘稠体が生成し、ポリウレタンを得ることができなかった。
Figure 0006145174

本発明に係るポリオール組成物によれば、イソシアネートなどを用いたウレタン化の際に過剰な副反応が進行しないように抑制することができる。また、本発明に係るポリオール組成物の製造方法によれば、重合触媒の除去操作を行うことなく本発明に係るポリオール組成物を製造することができる。さらに本発明に係るポリオール組成物によれば、良好な保存安定性や機械的物性を有するポリウレタンなどを製造することができるので、産業上有用である。

Claims (9)

  1. 活性水素を有する化合物と、
    カルボキシル基、エステル基、および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物とを、
    前記活性水素を有する化合物1モル部に対して0.0001〜0.05モル部のリン化合物の存在下に、金属系重合触媒を用いずに、反応させることを含み、
    前記活性水素を有する化合物が、式(3)
    Figure 0006145174
    (式(3)中、X1は共役ジエンに由来する繰り返し単位を含むポリマー鎖を表し、Tは、水素原子または水素原子に置換可能な有機基を表す。)で表される化合物であり、
    前記リン化合物が、下記式
    Figure 0006145174
    (式中、Xは水酸基またはメルカプト基を表し、Yは酸素原子または硫黄原子を表し、Z1およびZ2は、それぞれ独立に酸素原子または置換基を有する窒素原子を表し、R’は、水素原子、フェニル基、3,6−ジフェニルフェニル基、2,4,6−トリメチルフェニル基、3,4,5−トリメチルフェニル基、2,4,6−トリイソプロピルフェニル基、3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル基、4−t−ブチル、2,6−ジイソプロピルフェニル基、4−t−ブチルフェニル基、4−メトキシフェニル基、4−ニトロフェニル基、トリフェニルシリル基、ジフェニル−t−ブチルシリル基、4−ビフェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、9−アントリル基、または9−フェナントリルを表す)で表される化合物であることを特徴とするポリオール組成物の製造方法。
  2. 前記共役ジエンが、ブタジエンである請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記カルボキシル基、エステル基および酸ハライド基からなる群から選ばれる少なくともひとつを有する化合物が、環状エステル化合物である請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 前記環状エステル化合物が、式(1)で表される化合物である請求項3に記載の製造方法。
    Figure 0006145174
    (式(1)中、R3およびR4はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基を表し、nは2〜7のいずれかの整数を表し、R3同士またはR4同士は同一でもよいし相異してもよい。)
  5. 前記環状エステル化合物が、ε−カプロラクトン、γ−ブチロラクトンおよびδ−バレロラクトンからなる群から選ばれる少なくともひとつである請求項3に記載の製造方法。
  6. 請求項1〜5のいずれかひとつに記載の製造方法により製造されるポリオール組成物であって、
    ポリエステル鎖を有するポリオールを含有し、金属系重合触媒を実質的に含有せず且つ重合触媒由来のリン元素の含有量が1〜1000ppmである、ポリオール組成物。
  7. 前記ポリ共役ジエン鎖がポリブタジエン鎖である、請求項6に記載のポリオール組成物。
  8. 請求項6または7に記載のポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとを反応させて得られるウレタンプレポリマー。
  9. 請求項6または7に記載のポリオール組成物と有機ポリイソシアネートとを反応させて得られるポリウレタン。
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