JP6419579B2 - 水媒性エポキシ樹脂分散物およびエポキシ硬化剤組成物 - Google Patents
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Description
R−OXn−W
式中、Rはジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノール、およびそれらの混合物の中から優先的に選択されるポリスチリルフェノールまたはクミルフェノールを示し、かつここでOXはエチレンオキシドもしくはプロピレンオキシドまたは両方の組み合わせに由来する単位を示し;n=0 200であり、WはH、サルフェート(−SO3 -)、ホスフェート(−PO3Hまたは−PO2−OXnR)からなる群から選択される;ならびに(c)任意に水。
R−OXn−W
式中、Rはジスチリルフェノール、トリスチリルフェノール、ポリスチレン化フェノール、クミルフェノールおよびそれらの混合物からなる群から選択され、OXはエチレンオキシドもしくはプロピレンオキシドまたは両方の組み合わせに由来する単位を表し;n=0〜200であり、WはH、サルフェート(−SO3 -)、ホスフェート(−PO3Hまたは−PO2−OXnR)からなる群から選択される;ならびに(c)エポキシ硬化剤に基づいて0部から200部までの水。
最も一般的に用いられるエポキシ樹脂は、ビスフェノールAおよびエピクロロヒドリンの誘導体である。しかし、他のタイプのエポキシ樹脂、例えばビスフェノールAPエポキシ、ビスフェノールAFエポキシ、ビスフェノールBエポキシ、ビスフェノールBPエポキシ、ビスフェノールCエポキシ、ビスフェノールCエポキシ、ビスフェノールEエポキシ、ビスフェノールFエポキシ、ビスフェノールGエポキシ、ビスフェノールMエポキシ、ビスフェノールSエポキシ、ビスフェノールPエポキシ、ビスフェノールPHエポキシ、ビスフェノールTMCエポキシ、ビスフェノールZエポキシおよびそれらの混合物も、様々な特性を達成するために一般的である。樹脂はまた、独特の特性を提供するために様々な分子量で入手可能である。約300の分子量のエポキシは一般に室温で液体であり;500の分子量のエポキシは半固体であり、一方で700以上の分子量のエポキシは溶媒の非存在下で固体である。列挙した分子量よりはるかに高い分子量も用いられる。
推測により束縛されることを望むわけではないが、ジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノール化合物により与えられる典型的な特性に関して、以下の仮説が示唆される。
R−OXn−W
式中、Rはジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノール、およびそれらの混合物の中から優先的に選択されるポリスチリルフェノールまたはクミルフェノールを示し、かつここでXはエチレンオキシドもしくはプロピレンオキシドのどちらかまたは両方の組み合わせに由来する単位を示す。群“n”の数は0から200まで変動し、ここでWは任意にH、サルフェート(−SO3-)またはホスフェート(−PO3Hまたは−PO2−OXnR)を示す。
実施例I
Hexion/MomentiveからのビスフェノールAに基づく液体エポキシ樹脂であるEPON 828、粘度15,300cpsをエポキシに用いた。この研究において用いられた添加剤を下記の表1において列挙する。なお、NPはノニルフェノールを示す。
エポキシおよび添加剤混合物の粘度を、ブルックフィールドRV粘度計、スピンドル#6、4RPMを用いて決定した。全ての粘度は一定温度(23℃)で決定された。
硬化時間のデータのための硬化剤付加物の調製
4:1 XTA付加物(HexionからのXTA−60〜100% 1,3 ビス−(アミノメチル)シクロヘキサン、13〜30%イミノ−ベス(4 アミノメチル−4’−シクロヘキシルメチル)アミン(imino−bes(4 amino methyl−4’−cyclohexylmethyl)amine)、および1〜3% 3−アザビシクロ[3.2.2]ノナン)を、400グラムのXTAを大きいガラスの瓶に入れることにより作製した。次に、100グラムのエポキシをその瓶に添加した。ステンレス鋼の2枚羽根の攪拌器をその瓶に入れ、その攪拌器のシャフトが突き通って自由に回転することを可能にする穴を有する蓋をした。その付加物を室温で8時間攪拌して反応させた。最終的な計算されたAHEWは48.6であった。
エポキシ硬化剤混合物
エポキシ分散物のエポキシ当量および硬化剤の活性水素当量を用いて、エポキシ分散物および硬化剤の適切な量を1:1の当量比で小さい塗料缶(1/4パイント)に入れ、ステンレス鋼の3枚羽根のミキサーでおおよそ1分間混合し、次いですぐに硬化時間を決定するために用いた。これを下記の表2において示す。
可使時間の決定
可使時間を決定するため、エポキシ、付加物および硬化剤の混合物をすぐにRV Brookfieldデジタル粘度計にかけた。あらゆる剪断減粘作用を最小限にするため、6番のスピンドルを4RPMに設定して用いた。その混合される系の中に挿入された熱電対により得られる混合物の温度と一緒に、最初の粘度を記録し次いで続いて5分ごとに記録した。可使時間は最初の粘度が2倍になるのに必要な時間として定義される。
硬化時間をBYK乾燥時間記録装置を用いて決定した。1:1当量のエポキシ硬化剤混合物を、150ミクロン(約5ミル)のドローダウンキューブ(draw down cube)を用いてアクリルプラスチックスライド上に引き落とした(draw down)。その記録装置を24時間に設定し、その試料を2通りで(in duplicate)評価した。針は24時間の期間にわたってそのスライドを横切って進む。これは図1で示される特徴的なデータを作り出し、それは乾燥時間記録装置からの硬化時間の異なる段階を特性付けている。
(1)乾燥の早期の間、そのコーティングは針の通った跡の中に流れて戻る傾向がある。溶媒は蒸発しつつある。
(2)その流れの傾向が止まった時、その薄膜は固まったと考えることができる。エポキシアミン反応はこの時点で起こり、それはMwも増大させて粘度を構築する。親指の指紋がその表面上に見えるであろうが、エポキシがあなたの親指上で剥がれることはないであろう。
(3)乾燥プロセスが続くにつれて、膜が形成されるであろう。視覚的には、その薄膜形成のこの部分は針がその薄膜の表面を裂き始める際に見られる。この薄膜は、その膜がもはやその針により破られない場合、表面乾燥またはダストフリー(dust free)と考えられる。
(5)その薄膜上に針が乗り上げた時に、硬化乾燥(through dry)とみなされる。
終点1〜5(図1の下の番号)の説明
2の終了−指触乾燥(不粘着または薄膜固化とも記載される)
4の終了−表面乾燥(ダストフリー(dust free)またはコットンフリー(cotton free)とも呼ばれる)
5の終了−硬化乾燥
記録されたデータは、エポキシ薄膜の最終硬化である(5の点−硬化乾燥)。
粘度の低減および可使時間/硬化時間の改変に関する結果
エポキシ溶液の粘度を、アミン硬化剤を含むエポキシ溶液と同様に測定した。それぞれの混合物に関する可使時間および硬化時間を測定し、可使時間対硬化時間の比率を計算した。より高い比率はより優れており、より長い適用時間を可能にする。ほとんどの添加剤はベンジルアルコール対照よりもある程度そのエポキシの粘度を低減し、可使時間対硬化時間の比率も向上させたことは明らかである。また、DSPは透明性を向上させ、それは現行のベンジルアルコール溶媒よりもはるかに優れていることにも注意すべきである。
下記の表3は、添加剤の粘度、可使時間、硬化時間および薄膜の透明性への影響を示す。
本発明の別の態様は水媒性エポキシ類に関する。先行技術は、水媒性エポキシ類の製造における使用のためのジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノールに基づく界面活性剤の使用に関して言及していない。驚くべきことに、上記の界面活性剤は、凍結融解耐性を含め、その分散物の安定性を向上させた。加えて、これらのジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノールに基づく界面活性剤は、室温および高い貯蔵温度において優秀な安定性を提供することが見出された。
それらの構造(上記の構造2、3および4)を調べると、これらの構造は上記の構造(構造1)で示したエポキシ樹脂の構造に非常に類似していることがすぐに分かる。構造における類似性は、これらの疎水性化合物構造から生成される界面活性剤による分散物において用いられるエポキシ上または中への優秀な吸着および吸収を提供すると仮定される。この相容性は、結果としてその分散物のより大きな安定性をもたらし、その分散物の全体的な特性およびその後のコーティング特性を向上させると考えられる。
実施例VI
エポキシ分散物を、エポキシに基づいて0.5重量%の界面活性剤を用いて75%固形分で作製した。600mLのビーカー中に適量の界面活性剤を入れた(表4)。これに300gのエポキシ(EPON 828 − Hexion/Momentive)を添加した。続いて、最終的な分散物の固形分がエポキシの重量により75%であることを確実にするために約100gの水を添加した。最後に、その成分をPremier Mill Corpからの分散機(dispersator)を用いて40%の力で3分間混合した。結果として得られた分散物を16ozの瓶に移し、蓋をした。
75%固形分の貯蔵安定性試験の結果を下記で表5において示す。ノニルフェノールに基づく界面活性剤は、1ヶ月後にそのフラスコの底部においてエポキシのその分散物の残りの部分からの分離を示した。これは半透明な相として表れた(expressed)。2ヵ月後、ラウリル硫酸ナトリウムおよびノニルフェノールに基づく界面活性剤両方が分離を示した。ナトリウムジオクチルスルホスクシネートおよびジスチリルフェノールに基づく界面活性剤両方に関する結果が良好な室温安定性を実証している。ナトリウムジオクチルスルホスクシネートは約30%のプロピレングリコールを含有しており、それはVOCに寄与するためそれは望ましくなく、従ってそれは望ましくないことに注意すべきである。
エポキシ分散物を、エポキシに基づいて0.5重量%の界面活性剤を用いて75%固形分で作製した。600mLのビーカー中に適量の界面活性剤を入れた(表4)。これに300gのエポキシ(EPON 828 − Hexion/Momentive)を添加した。続いて、最終的な分散物の固形分がエポキシの重量により75%であることを確実にするために約100gの水を添加した。最後に、その成分をPremier Mill Corpからの分散機を用いて40%の力で3分間混合した。結果として得られた分散物の一部を10mlの瓶に移し、蓋をして凍結融解耐性に関して試験した。
実施例2からの10mlの試料を−20Cの冷凍機中に一夜置いた。次の日に、それらを取り出して融解させた(表6)。Ethoxからのジスチリルフェノールに基づく試料以外の(expect)全ての試料は表面上に著しい水の層を示し、これは相分離および凍結/融解試験の失敗を示した。相分離を示した試料はまた、その容器を横に傾けた際に流動せず、これはその分散物の凝集を示している。
エポキシ分散物を、エポキシに基づいて0.5重量%の界面活性剤を用いて75%固形分で作製した。600mLのビーカー中に適量の界面活性剤を入れた(表4)。これに300gのエポキシ(EPON 828 − Hexion/Momentive)を添加した。続いて、最終的な分散物の固形分がエポキシの重量により75%であることを確実にするために約100gの水を添加した。最後に、その成分をPremier Mill Corpからの分散機(図4)を用いて40%の力で3分間混合した。次いでこれらをさらに50%固形分まで希釈した。100mlのメスシリンダーに75mlのその混合物を入れ、ポリエチレンフィルムで蓋をした。次いでこれらの試料を50Cのオーブンに2ヶ月間入れた。
50%固形分の50℃における熱老化試験の結果を下記で表7において示す。2ヵ月後、ラウリル硫酸ナトリウムおよびノニルフェノールに基づく界面活性剤は分離を示した。ナトリウムジオクチルスルホスクシネートおよびジスチリルフェノールに基づく界面活性剤両方に関する結果は優れた高温安定性を示した。ナトリウムジオクチルスルホスクシネートは約30%のプロピレングリコールを含有しており、VOCに寄与するためそれは望ましくなく、従ってエポキシ分散物において望ましくないことに注意すべきである。
エポキシ分散物において凍結融解に関してさらなる実験を実施した。分散物を、0.8重量固形分のDSP 20モルEOサルフェート(NH4)界面活性剤およびエポキシに基づいて4%のDSP 20モルEOを用いて75%固形分で作製した。600mLのビーカー中に適量の界面活性剤を入れた(表8)。これに300gのエポキシ(EPON 828 − Hexion/Momentive)を添加した。続いて、最終的な分散物の固形分がエポキシの重量により75%であることを確実にするために約100gの水を添加した。最後に、その成分をPremier Mill Corpからの分散機を用いて40%の力で3分間混合した。結果として得られた分散物の一部を50mlの瓶に移し、蓋をして凍結融解耐性に関して試験した。その分散物は5回の凍結融解サイクルを通過した。
本発明のさらなる態様において、我々は向上したエポキシ硬化剤混合物を提供する。先行技術はエポキシ樹脂硬化剤の製造における使用のためのジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノールに基づく界面活性剤の使用に関して言及していない。これらのジスチリルフェノール、トリスチリルフェノールまたはクミルフェノールに基づく界面活性剤は、驚くべきことにエポキシ/硬化剤系の可使時間および硬化時間の両方を向上させることが分かっている。硬化時間が維持または減少しつつ可使時間を増大させることができる。
材料
Hexion/MomentiveからのBPAに基づくエポキシ樹脂であるEPON 828をエポキシ分散物に関して用いる。三菱ガス化学からのBACを4:1 BAC:エポキシ付加物の作製において用いる。この研究において用いた界面活性剤を下記の表9において列挙する。
エポキシ分散物
エポキシ分散物のマスターバッチを、エポキシに基づいて5重量%のE−Sperse 704を用いて72%固形分で作製した。大きいステンレス鋼のビーカー中に適量の界面活性剤を入れた。これにエポキシ(EPON 828 − Hexion/Momentive)を添加した。続いて、最終的な分散物の固形分がエポキシの重量により72%であることを確実にするために水を添加した。最後に、その成分をPremier Mill Corpからの分散機を用いて40%の力で3分間混合した。結果として得られた分散物をガロン容器に移した。
4:1のBAC(1,3 ビス(アミノメチル)シクロヘキサン)エポキシ付加物を、400グラムのBACを大きいガラス瓶に入れることにより作製した。次に、100グラムのエポキシをその瓶に添加した。ステンレス鋼の2枚羽根の攪拌器をその瓶に入れ、その攪拌器のシャフトが突き通って自由に回転することを可能にする穴を有する蓋をした。その付加物を室温で8時間攪拌して反応させた。
その硬化剤に適切な界面活性剤(表11参照)を添加した。Ancamine 401(Air Productsからの商業的な硬化剤製品)も試験した。E−Sperse 703を可使時間および硬化時間を試験するために用いた(下記の表11参照)。
エポキシ分散物のエポキシ当量および硬化剤の活性水素当量を用いて、エポキシ分散物および硬化剤の適切な量を1:1の当量比で小さい塗料缶(1/4パイント)に入れ、ステンレス鋼の3枚羽根のミキサーでおおよそ1分間混合し、次いですぐに硬化時間を決定するために用いた。
可使時間を決定するため、混合した2K系をすぐにRV Brookfieldデジタル粘度計にかける。あらゆる剪断減粘作用を最小限にするため、6番のスピンドルを4RPMに設定して用いる。その混合される系の中に挿入された熱電対により得られる混合物の温度と一緒に、最初の粘度を記録し、次いで続いて5分ごとに記録する。可使時間は最初の粘度が2倍になるのに必要な時間として定義される。
硬化時間を、前に記載したようにBYK乾燥時間記録装置を用いて決定した。
表10は、水媒性エポキシ分散物における硬化時間に関して調製および試験した個々の硬化剤の構成要素を示す。水を入れない(neat)水分散性硬化剤と水媒性硬化剤とを示す。水媒性はその硬化剤中の水の存在を示し、一方で水分散性は最初は水が存在しないが事後にそれを水中に分散させることができることを示す。
表11は、異なる硬化剤に関する硬化時間試験の結果を示す。比較のため、硬化乾燥の時間は、24時間後に硬化していなかった薄膜に関しては24時間に設定されている。長い可使時間および短い硬化時間が望ましい。見て分かるように、E−Sperse 704は特性の最高の組み合わせを有する。
本発明の多くの態様が上記で開示されており、それには現在好ましい態様が含まれるが、多くの他の態様およびバリエーションが本開示の範囲内で、および下記の添付された特許請求の範囲において可能である。従って、提供された好ましい態様および実施例の詳細は限定と解釈されるべきではない。本明細書において用いられる用語は限定的ではなく単に説明的なものであり、特許請求される本発明の精神または範囲から逸脱することなく様々な変更、数多くの均等物をなすことができることは理解されるべきである。
この出願は、2013年3月9日にIsaac A. Angres、登録番号29,765により出願された。
Claims (22)
- (a)少なくとも1種類のエポキシ樹脂;および
(b)前記エポキシ樹脂に基づいて0.1から20重量パーセントまでの界面活性剤を含み、
前記界面活性剤が、ジスチリルフェノール、トリスチリルフェノール、ポリスチレン化フェノール、クミルフェノールおよびそれらの混合物からなる群から選択される疎水性物質のエトキシ化の後、陰イオン性末端基を生成して得られたものであり、
前記エトキシ化によりエチレンオキシドに由来する単位が1〜200付加され、
前記陰イオン性末端基はサルフェート、ホスフェートからなる群から選択される、エポキシ組成物。 - 前記陰イオン性末端基がサルフェートであり、対イオンがアンモニウムである請求項1に記載のエポキシ組成物。
- 前記エポキシ樹脂がビスフェノールAエポキシ、ビスフェノールAPエポキシ、ビスフェノールAFエポキシ、ビスフェノールBエポキシ、ビスフェノールBPエポキシ、ビスフェノールCエポキシ、ビスフェノールEエポキシ、ビスフェノールFエポキシ、ビスフェノールGエポキシ、ビスフェノールMエポキシ、ビスフェノールSエポキシ、ビスフェノールPエポキシ、ビスフェノールPHエポキシ、ビスフェノールTMCエポキシ、ビスフェノールZエポキシおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1または2に記載のエポキシ組成物。
- 前記エポキシ樹脂がエポキシアルキド、エポキシアクリル、エポキシシリコン、エポキシシラン、エポキシポリウレタン、およびエポキシポリ尿素からなる群から選択されるエポキシハイブリッドである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエポキシ組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ組成物を含むコーティング組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ組成物を含む接着剤組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ組成物を含む給湿組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ組成物を含む埋込み用組成物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ組成物を含むエポキシコンクリートセメント組成物。
- (a)少なくとも1種類のエポキシ硬化剤;および
(b)界面活性剤:
を含み、
前記界面活性剤が、ジスチリルフェノール、トリスチリルフェノール、ポリスチレン化フェノール、クミルフェノールおよびそれらの混合物からなる群から選択される疎水性化合物のエトキシ化の後、陰イオン性末端基を生成して得られたものであり、
前記エトキシ化によりエチレンオキシドに由来する単位が1〜200付加され、
前記陰イオン性末端基はサルフェート、ホスフェートからなる群から選択される、エポキシ硬化剤組成物。 - 前記陰イオン性末端基がサルフェートであり、対イオンがアンモニウムである請求項10に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- 請求項10または11に記載の組成物であって、前記エポキシ硬化剤がアミドアミン類、ポリアミド類、脂肪族アミン類、修飾脂肪族アミン類、環状脂肪族アミン類、芳香族アミン類、無水物、ケチミン類からなる群から選択される、前記エポキシ硬化剤組成物。
- さらにエポキシ樹脂を含む請求項10〜12のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- 前記エポキシ樹脂がエポキシハイブリッドである、請求項13に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- 前記エポキシハイブリッドがエポキシアルキド、エポキシアクリル、エポキシシリコン、エポキシシラン、エポキシポリウレタン、およびエポキシポリ尿素からなる群から選択される、請求項14に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- 前記エポキシ樹脂が水媒性である請求項13〜15のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- さらに水を含み、かつ5%から99.99%までの固形分を含む請求項10〜16のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物。
- 請求項10〜17のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物を含むコーティング組成物。
- 請求項10〜17のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物を含む接着剤組成物。
- 請求項10〜17のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物を含む給湿組成物。
- 請求項10〜17のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物を含む埋込み用組成物。
- 請求項10〜17のいずれか一項に記載のエポキシ硬化剤組成物を含むエポキシコンクリートセメント組成物。
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