JP6240305B2 - 嫌気硬化性組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、嫌気硬化性組成物、ならびにその製造方法および使用方法を提供する。
嫌気性接着剤組成物は一般的に周知である。たとえば、「嫌気性接着剤」、Handbook of Adhesive Technology、29、467−79、A.PizziおよびK.L.Mittal編、Marcel Dekker,Inc.、New York(1994)、ならびにその中で引用されている参考文献を参照のこと。それら組成物の利用は多く、新たな用途が開発され続けている。
さらに、油性面上の接着が困難であることが周知である。たとえば、様々なボルトおよびナットを、使用中に緩みが生じることのないようロックするために嫌気性スレッドロッカー製品が広く使用されている。一般に、嫌気性スレッドロッカー製品は、優れた硬化速度を提供し、鉄類表面上で硬化後に所要のトルク強度をもたらす。しかしながら、ボルトおよびナットが鋼製で、かつ油分で覆われたままであると、たとえば、中強度嫌気性接着剤の硬化速度が低下することがあり、また硬化した嫌気性接着剤のトルク強度が最適ではないことがある。硬化速度およびトルク強度を向上させることができれば、商業的に大きく有利になるはずである。
一態様において、本発明は、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、
(b)嫌気性硬化システムと、
(c)生分解性油性可塑剤と
を含む嫌気硬化性組成物を提供する。
本発明は、別の態様において、嫌気硬化性組成物を使用する方法を提供する。ここで、この方法は、
少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、嫌気性硬化システムと、生分解性油性可塑剤とを含む嫌気硬化性組成物を用意するステップと、
それぞれが少なくとも1つの相補的表面(complimentary surface)を有する、2つまたはそれ以上の基板を用意するステップと、
基板の少なくとも1つの相補的表面に、嫌気硬化性組成物を塗布するステップと、
嫌気硬化性組成物が可能となる嫌気性環境が存在するように、嫌気硬化性組成物がその間に配置されるよう、基板の相補的表面を対にするステップと
を含む。
別の態様において、本発明は、油性面を接着する方法であって、
(a)
(i)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、
(ii)硬化システム、および
(iii)生分解性油性可塑剤
を含む接着剤組成物を用意するステップと、
(b)基板の油性面に組成物を塗布するステップと、
(c)前記基板を別の基板と対にするステップと、
(d)前記組成物を硬化させるステップと
を含む、方法を提供する。
上述のように、本発明は、一態様において、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、
(b)硬化システムと、
(c)生分解性油性可塑剤と
を含む嫌気硬化性組成物を提供する。
本発明は、別の態様において、嫌気硬化性組成物を使用する方法を提供する。ここで、この方法は、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、
(b)硬化システム、および
(c)生分解性油性可塑剤
を含む嫌気硬化性組成物を用意するステップと、
それぞれが少なくとも1つの相補的表面を有する、2つまたはそれ以上の基板を用意するステップと、
基板の少なくとも1つの相補的表面に、嫌気硬化性組成物を塗布するステップと、
嫌気硬化性組成物が可能となる嫌気性環境が存在するように、嫌気硬化性組成物がその間に配置されるよう、基板の相補的表面を対にするステップと
を含む。
本発明における(メタ)アクリレート成分としての使用に適している(メタ)アクリレートモノマーは、HC=C(G)CO[式中、Gは水素、ハロゲンまたは炭素数が1〜約4のアルキル基でよく、Rは、炭素数が1〜約16のアルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルカリール、アラルキルまたはアリール基から選択することができ、そのいずれかが任意に、場合によってはシラン、ケイ素、酸素、ハロゲン、カルボニル、ヒドロキシル、エステル、カルボン酸、尿素、ウレタン、カーボネート、アミン、アミド、硫黄、スルホネート、スルホン等で置換されていても、または遮断されていてもよい]によって表される材料など、多種多様な材料から選択することができる。
ビスフェノール−Aのジグリシジルエーテルの、メタクリル酸および以下に示す構造に対応する(メタ)アクリレートエステルとの反応生成物など、他の(メタ)アクリレートモノマーを使用することもできる。
Figure 0006240305

[式中、Rは、水素、炭素数が1〜約4のアルキル基、炭素数が1〜約4のヒドロキシルアルキル基]または
Figure 0006240305
から選択することができ、
は、水素、ハロゲンおよび炭素数が1〜約4のアルキル基から選択することができ、
は、水素、ヒドロキシおよび
Figure 0006240305
から選択することができ、
mは、少なくとも1の整数、たとえば、1〜約8またはそれ以上、たとえば、1〜約4であり、
vは、0または1であり、
nは、少なくとも1の整数、たとえば、1〜約20またはそれ以上である。
ここで使用することができる、さらに他の(メタ)アクリレートモノマーとして、その開示全体が参照により本明細書中に明示的に援用される米国特許第5605999号(Chu)に教示され、特許請求されているモノマーなどのシリコーン(メタ)アクリレート部分(「SiMA」)が挙げられる。
もちろん、これらの(メタ)アクリレートモノマーの組合せを使用することもできる。
ここでの使用に適している、さらなる(メタ)アクリレートモノマーとして、多官能性(メタ)アクリレートモノマーが挙げられ、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラヒドロフラン(メタ)アクリレートおよびジ(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(「HPMA」)、ヘキサンジオールジ(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(「TMPTMA」)、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート(「TRIEGMA」)、テトラエチレングリコールジメタクリレート、ジプロピレングリコールジメタクリレート、ジ−(ペンタメチレングリコール)ジメタクリレート、テトラエチレンジグリコールジアクリレート、ジグリセロールテトラメタクリレート、テトラメチレンジメタクリレート、エチレンジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートのような二官能性または三官能性(メタ)アクリレート、またエトキシ化ビスフェノール−A(メタ)アクリレート(「EBIPMA」)などのビスフェノール−Aモノおよびジ(メタ)アクリレート、ならびにエトキシ化ビスフェノール−F(メタ)アクリレートなどのビスフェノール−Fモノおよびジ(メタ)アクリレートなどが挙げられるが、これらに限定されない。
もちろん、これらの(メタ)アクリレートモノマーの組合せを使用することもできる。
(メタ)アクリレート成分は、組成物の総重量に基づき、一般に全組成物の約10〜約90重量パーセント、好ましくは約50〜約90重量パーセント、典型的には約55重量パーセント〜約85重量パーセントを構成する。
硬化システムは、嫌気性硬化システム、光硬化システム、熱硬化システム、湿気硬化システムおよびこれらの適切な組合せからなる群から選択される。
本発明の方法および組成物において使用する硬化システムは、少なくとも1種の硬化開始剤および少なくとも1種の硬化促進剤を含む。
適切な硬化開始剤の例が、テトラメチルブチルヒドロペルオキシド、tert−アミルヒドロペルオキシド、テトラヒドロキノリン、メチルテトラヒドロキノリンなどのアルキル化テトラヒドロキノリンである。
適切な硬化促進剤の例が、たとえば、米国特許第6835762号(Klemarczyk)、第6897277号(Klemarczyk)および第6958368号(Klemarczyk)に記載されている硬化促進剤である。
より具体的には、硬化システムの成分は、クメンヒドロペルオキシド、テトラメチルブチルヒドロペルオキシドおよび/またはtert−アミルヒドロペルオキシド、テトラヒドロキノリンおよび/またはアルキル化テトラヒドロキノリンを、それぞれ実質的に酸素を欠いている条件にさらされた場合に嫌気性硬化を引き起こす効果的な量で含む。室温で24時間の期間の嫌気性硬化により通常、硬化組成物の極限強さの約80パーセントが実現される。
硬化システムの成分の効果的な量は、全組成物の0.1〜5.0重量パーセントの範囲にあるべきである。硬化開始剤および硬化促進剤のそれぞれは、全組成物の0.1重量パーセント〜約<5重量パーセント(たとえば、0.1重量パーセント〜約3重量パーセント)の量で存在することができるが、それらを合わせた総重量は、全組成物の0.1重量パーセント〜約5重量パーセントを超えない。
一態様において、硬化システムは嫌気性硬化システムである。
したがって、別の態様において、本発明は、嫌気硬化性組成物を調製する方法を提供する。この態様において、この方法は、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、
(b)嫌気性硬化システムと、
(c)生分解性油性可塑剤と
を含む。本発明は別の態様において、嫌気硬化性組成物を使用する方法を提供する。ここで、この方法は、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、
(b)嫌気性硬化システム、および
(c)生分解性油性可塑剤
を含む嫌気硬化性組成物を用意するステップと、
それぞれが少なくとも1つの相補的表面を有する、2つまたはそれ以上の基板を用意するステップと、
基板の少なくとも1つの相補的表面に、嫌気硬化性組成物を塗布するステップと、
嫌気硬化性組成物が可能となる嫌気性環境が存在するように、嫌気硬化性組成物がその間に配置されるよう、基板の相補的表面を対にするステップと
を含む。
本発明は、別の態様において、嫌気硬化性組成物を提供する。この組成物は、
(a)少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、
(b)嫌気性硬化システムと、
(c)生分解性油性可塑剤と
を含む。
生分解性油性可塑剤は、典型的には油成分でよい。適切な油成分の例が、大豆油または大豆油のアルキルエステル、菜種油または菜種油のアルキルエステル(たとえば、アルキル基の炭素数が1〜約4であるアルキルエステルなど)である。アルキルエステルの一例が、大豆油のメチルエステルである。非限定的な例がSoyGold1000、SoyGold1100、CanolaGold1000、SoyClear1500である。これらの製品はすべて、Ag Environmental Products LLC、Omaha、Nebraskaから市販されている。これらの製品の利点には、生物由来、生分解性、無毒、低VOCなどの特性が含まれる。これらの製品は、溶媒およびバイオディーゼルとしてその使用が知られている。中強度嫌気性スレッドロッカー製品における可塑剤としてのこれら材料の使用は新規で、油性面(たとえば、油性鋼面)上であっても、これらの表面上で硬化した嫌気性スレッドロッカー製品に対して、良好なブレークルースまたはブレークアウェイトルク強度を維持しながら、優れた硬化速度を提供することが、本出願人により見出された。
生分解性油性可塑剤は、全組成物の約1.0重量パーセント〜約40.0重量パーセント、好ましくは約1重量パーセント〜約35重量パーセント、典型的には約2重量パーセント〜約35重量パーセントの量で存在することができる。
したがって、別の態様において、本発明は、
(i)全組成物の約50重量パーセント〜約90重量パーセントの量の(メタ)アクリレート成分と、
(ii)全組成物の約0.1重量パーセント〜約5.0重量パーセントの量の嫌気性硬化システムと、
(iii)全組成物の約1.0重量パーセント〜約40.0重量パーセントの量の、大豆油成分などの生分解性油性可塑剤と
を含む嫌気性組成物を開示する。
別の態様において、本発明は接着剤組成物を調製する方法であって、
(a)
(i)全組成物の約50重量パーセント〜約90重量パーセントの量の少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、および
(ii)全組成物の約0.1重量パーセント〜約5.0重量パーセントの量の嫌気性硬化システム
を含む組成物を形成するステップと、
(b)前記組成物を、1.0パーセント〜約40.0パーセントの量の、大豆油成分などの生分解性油性可塑剤と組み合わせるステップと
を含む方法を開示する。
さらに別の態様において、本発明は油性面を接着する方法であって、
(a)
(i)全組成物の約50重量パーセント〜約90重量パーセントの量の少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、
(ii)全組成物の約0.1重量パーセント〜約5.0重量パーセントの量の嫌気性硬化システム、および
(iii)全組成物の約1.0重量パーセント〜約40.0重量パーセントの量の、大豆油成分などの生分解性油性可塑剤
を含む接着剤組成物を用意するステップと、
(b)基板の油性面に組成物を塗布するステップと、
(c)基板を別の基板と対にするステップと、
(d)組成物を硬化させるステップと
を含む方法を開示する。
さらに別の態様においては、硬化性組成物またはその反応生成物の物理的特性を変化させるために従来の嫌気硬化性組成物に含まれていた追加の成分を、本組成物および方法にも含めることができる。
たとえば、マレイミド成分、耐熱性付与共反応物質、高温条件では反応性である希釈成分(希釈剤)、モノ−またはポリ−ヒドロキシアルカン類、高分子可塑剤、着色剤、増粘剤およびキレート剤(その開示は参照により全体が本明細書中に明示的に援用される国際特許出願第PCT/US98/13704号、米国特許第6391993号を参照のこと)のうちの1種または複数種を、配合物の物理的特性および/または硬化プロファイルならびに/あるいは硬化接着剤の強度または温度耐性を修正するために含めることができる。
使用する場合、マレイミド、共反応物質、反応性希釈剤、可塑剤、モノ−またはポリ−ヒドロキシアルカン類、着色剤、増粘剤および/またはキレート剤は、組成物の総重量に基づき、一般に約0.001重量パーセント〜約30重量パーセント、望ましくは0.001重量パーセント〜約10重量パーセントの範囲の、典型的には0.005重量パーセント〜約5重量パーセントの範囲の量で存在することができる。
本発明の組成物は、遊離基開始剤、遊離基促進剤、遊離基発生の抑制剤、ならびに鉄や銅などの金属触媒など、他の従来成分を含むこともできる。
CHP、パラメンタンヒドロペルオキシド、t−ブチルヒドロペルオキシド(「TBH」)、t−ブチルペルベンゾエートなど、ヒドロペルオキシドを含む嫌気硬化性組成物には、数多くの周知の遊離基重合開始剤が通常取り込まれている。他のペルオキシドとして、ベンゾイルペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、1,3−ビス(t−ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼン、ジアセチルペルオキシド、ブチル4,4−ビス(t−ブチルペルオキシ)バレレート、p−クロロベンゾイルペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、t−ブチルクミルペルオキシド、t−ブチルペルベンゾエート、ジ−t−ブチルペルオキシド、ジクミルペルオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ−t−ブチルペルオキシヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ジ−t−ブチル−ペルオキシヘックス−3−イン、4−メチル−2,2−ジ−t−ブチルペルオキシペンタンおよびこれらの組合せが挙げられる。
5種の試料(生分解性油性可塑剤を含有する)を評価し(表1における試料番号2、4、5、6および7)、比較試料(生分解性油性可塑剤なし、表1における試料番号1および3)に対して比較した。表1は、配合物の構成物質を示す。
Figure 0006240305
Figure 0006240305
油性面上における強度の改良:
油性鋼ボルトおよびナットを、下記ステップによって作製した。
1.鋼ボルトおよびナットを、水性洗浄剤によって脱脂し、水ですすぎ、高い温度で乾燥させた。
2.脱脂した鋼ボルトおよびナットを、水中15パーセントの油に30秒間浸漬した。
3.再度油が塗られたボルトおよびナットを、80℃のオーブンに30分間設置して乾燥させた。
4.これらボルトおよびナットを室温で放置して冷却した。
比較:油性鋼ボルトおよびナットを、準備した嫌気性スレッドロッカーLoctite 242(コネチカット州ロッキーヒルのヘンケル社から市販されている)と共に組み立てた。Loctite 242は、ステンレス鋼または油性鋼表面上で良好な硬化速度を有さない中強度嫌気性スレッドロッカーであり、これらの表面上の硬化したLoctite 242の、ブレークアウェイまたはブレークルーストルク強度も低い。したがって、これは参照用に使用した。組み立てたボルトおよびナットを室温で放置して、それぞれ1時間および24時間硬化した。1時間および24時間の最後に、硬化したボルトおよびナットについて、ブレークアウェイまたはブレークルーストルク強度を測定した。
可塑剤を含む本発明の組成物:SoyGold 1000、SoyGold 1100、CanolaGold 110またはSoyClear 1500を可塑剤として用いて、スレッドロッカー製品、Loctite 242を再改質した。油性鋼ボルトおよびナットを、このように再改質したLoctite 242と共に組み立てた。組み立てたボルトおよびナットを室温で放置して、それぞれ1時間および24時間硬化した。1時間および24時間の最後に、硬化したボルトおよびナットについて、ブレークアウェイまたはブレークルーストルク強度を測定した。
表2および表3に示すブレークルースまたはブレークアウェイトルク試験結果に基づき、これらの製品の性能を比較した。
Figure 0006240305
Figure 0006240305
表2および表3に示す通り、SoyGold 1000、SoyGold 1100、CanolaGold 110またはSoyClear 1500を可塑剤として用いて中強度嫌気性スレッドロッカー製品Loctite 242を再改質すると、嫌気性スレッドロッカー製品は、油性鋼表面上でより優れた機能を発揮し、優れた硬化速度がもたらされ、中強度嫌気性スレッドロッカー製品についての規定のトルク強度が満たされた。参照(未改質)Loctite 242は、両表面上で期待通りには良好に機能せず、したがって可塑剤SoyGold 1000、SoyGold 1100、CanolaGold 110またはSoyClear 1500は、中強度スレッドロッカー製品に配合されると、油性鋼表面上で優れた硬化速度を提供できることが実証された。油性ナット/ボルトアセンブリ上における24時間後の硬化組成物の破壊強度は、約80〜約180インチ−ポンドの範囲であった。油性ナット/ボルトアセンブリ上における24時間後の前記硬化組成物の優性強度(prevail strength)は、約25〜約80インチ−ポンドの範囲であった。硬化したスレッドロッカー製品もまた、中強度嫌気性接着剤について規定した、ブレークアウェイまたはブレークルーストルク強度を満たす。

Claims (18)

  1. 少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分と、
    嫌気性硬化システムと、
    大豆油のアルキルエステルである、生分解性油性可塑剤と
    を含む嫌気硬化性組成物。
  2. 前記(メタ)アクリレート成分は、HC=C(G)CO
    [式中、GはH、ハロゲンおよび炭素数が1〜4のアルキルからなる群から選択されるメンバーであり、Rは、炭素数が1〜16のアルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、アルカリールおよびアリール基からなる群から選択されるメンバーであり、シラン、ケイ素、酸素、ハロゲン、カルボニル、ヒドロキシル、エステル、カルボン酸、尿素、ウレタン、カルバメート、アミン、アミド、硫黄、スルホネートおよびスルホンからなる群から選択されるメンバーで置換または遮断されているまたはされていない]によって表される、請求項1に記載の組成物。
  3. 前記(メタ)アクリレート成分は、シリコーン(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノール−A−(メタ)アクリレート、エトキシ化ビスフェノール−A−(メタ)アクリレート、ビスフェノール−F−(メタ)アクリレート、エトキシ化ビスフェノール−F−(メタ)アクリレート、テトラヒドロフラン(メタ)アクリレートおよびジ(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、ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ならびにトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートからなる群から選択されるメンバーである、請求項1に記載の組成物。
  4. 前記生分解性油性可塑剤は、全組成物の1.0重量パーセント〜40.0重量パーセントの量で存在する、請求項1に記載の組成物。
  5. 前記(メタ)アクリレート成分は、全組成物の50重量パーセント〜90重量パーセントの量で存在する、請求項1に記載の組成物。
  6. 増粘剤、着色剤、キレート剤、希釈剤およびこれらの組合せからなる群から選択される材料をさらに含む、請求項1に記載の組成物。
  7. 全組成物の50重量パーセント〜90重量パーセントの量の(メタ)アクリレート成分と、
    嫌気性硬化システムと、
    全組成物の1.0重量パーセント〜40.0重量パーセントの量の大豆油のアルキルエステルである、生分解性油性可塑剤と
    を含む嫌気硬化性組成物。
  8. 前記嫌気性硬化システムは、全組成物の0.1重量パーセント〜5重量パーセントの量の硬化開始剤と、全組成物の0.1重量パーセント〜5重量パーセントの量の硬化促進剤とを含む、請求項に記載の組成物。
  9. 前記生分解性油性可塑剤は、大豆油のメチルエステルである、請求項に記載の組成物。
  10. 前記大豆油のメチルエステルは、全組成物の1重量パーセント〜15重量パーセントの量で存在する、請求項に記載の組成物。
  11. 油性ナット/ボルトアセンブリ上における24時間後の前記硬化組成物の破壊強度は、80〜180インチ−ポンド(9.04〜20.3N・m)である、請求項1に記載の組成物。
  12. 油性ナット/ボルトアセンブリ上における24時間後の前記硬化組成物の優性強度は、25〜80インチ−ポンド(2.82〜9.04N・m)である、請求項1に記載の組成物。
  13. 増粘剤、着色剤、キレート剤、希釈剤およびこれらの組合せからなる群から選択される材料をさらに含む、請求項に記載の組成物。
  14. 少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分および硬化システムを含む組成物を形成するステップと、
    前記組成物を、全組成物の1.0〜40.0重量パーセントの量の大豆油のアルキルエステルである、生分解性油性可塑剤と組み合わせるステップと
    を含む、接着剤組成物を調製する方法。
  15. 油性面を接着する方法であって、
    少なくとも1種の(メタ)アクリレート成分、
    硬化システム、および
    大豆油のアルキルエステルである、生分解性油性可塑剤
    を含む接着剤組成物を用意するステップと、
    基板の油性面に前記組成物を塗布するステップと、
    前記基板を別の基板と対にするステップと、
    前記組成物を硬化させるステップと
    を含む方法。
  16. 前記油性基板表面は、亜鉛、鋼、ステンレス鋼、カドミウムおよびこれらの組合せから選択される材料から構成される、請求項15に記載の方法。
  17. 前記油性基板はナットまたはボルトである、請求項15に記載の方法。
  18. 嫌気硬化性組成物を使用する方法であって、
    (a)請求項1に従って嫌気硬化性組成物を用意するステップと、
    (b)それぞれが少なくとも1つの相補的表面を有する、2つまたはそれ以上の基板を用意するステップと、
    (c)前記基板の少なくとも1つの前記相補的表面に、前記嫌気硬化性組成物を塗布するステップと、
    (d)嫌気性環境下で、前記嫌気硬化性組成物がその間に配置されるよう、前記基板の前記相補的表面を対にし、前記嫌気硬化性組成物を硬化させるステップとを含む方法。
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