JP7477752B2 - 2液硬化型接着剤組成物 - Google Patents
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- Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
Description
一方で、繊維強化プラスチック(FRP)材料等の部品を備える大型の構造体では、部品同士の接合や、組み立てた部品の構造体への組み込み等に時間を要するため、可使時間が適度に長いことが求められる。
ウレタンプレポリマー(a1)を含む主剤(A)と、
非晶性ポリオール化合物(b1)と、数平均分子量が400未満のポリアミン化合物(b2)と、数平均分子量が400以上のポリアミン化合物(b3)と、を含む硬化剤(B)と、を有し、
前記ウレタンプレポリマー(a1)は、原料ポリイソシアネートと、結晶性ポリオール化合物(a2)とを、前記結晶性ポリオール化合物(a2)中の水酸基に対する前記原料ポリイソシアネート中のイソシアネート基の当量比を1.8以上として、前記結晶性ポリオール化合物(a2)のすべてが前記ウレタンプレポリマー(a1)の単量体単位となるよう反応させて得たものであり、
前記結晶性ポリオール化合物(a2)は、数平均分子量250以上のポリテトラメチレンエーテルグリコールであり、
前記主剤(A)は、前記ウレタンプレポリマー(a1)のほか、前記結晶性ポリオール化合物(a2)と反応しなかった前記原料ポリイソシアネートの残部である残存ポリイソシアネート(a3)をさらに含み、
前記非晶性ポリオール化合物(b1)は、分子内に少なくとも2つの水酸基を有する数平均分子量1000以上の化合物であって、ポリオキシプロピレングリコール、ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、ポリアクリルポリオール、及びこれらのそれぞれを部分的に変性させた部分変性物の中から選択される少なくとも1種であり、
前記ポリアミン化合物(b2)及び前記ポリアミン化合物(b3)の少なくとも一方は、分子内に少なくとも1つの芳香環を有し、
前記硬化剤(B)中の活性水素基に対する前記主剤(A)中のイソシアネート基の当量比が0.8~4であり、
前記非晶性ポリオール化合物(b1)中の水酸基に対する前記主剤(A)中のイソシアネート基の当量比は2~12である、ことを特徴とする。
本実施形態の2液硬化型接着剤組成物(以降、単に接着剤組成物ともいう)は、主剤(A)と、硬化剤(B)と、を有する。
主剤(A)は、ウレタンプレポリマー(a1)を含む。
ウレタンプレポリマー(a1)は、原料ポリイソシアネートと、結晶性ポリオール化合物(a2)と、を反応させて得たものである。したがって、ウレタンプレポリマー(a1)は、ポリイソシアネートの単量体単位と、結晶性ポリオール化合物(a2)の単量体単位とを有している。この反応は、具体的に、結晶性ポリオール化合物(a2)中の水酸基に対する、原料ポリイソシアネート中のイソシアネート基の当量比(以降、インデックスともいう)を1.8以上として、結晶性ポリオール化合物(a2)のすべてがウレタンプレポリマー(a1)の単量体単位となるよう行われる。
また、インデックスを1.8以上とし、イソシアネート基を水酸基に対して大きく過剰にしたことで、原料ポリイソシアネートと結晶性ポリオール化合物(a2)との反応後に残存するイソシアネート基を、硬化剤(B)と十分に反応させることができる。これにより、破断伸度に優れた硬化物、具体的には、破断伸度が100%以上の硬化物を得やすくなる。本明細書において、破断伸度は、JIS K6251に準拠した切断時伸びを意味する。
原料ポリイソシアネートに使用されるポリイソシアネート化合物としては、具体的には、例えば、TDI(例えば、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))、MDI(例えば、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(4,4’-MDI)、2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(2,4’-MDI))、1,4-フェニレンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート、キシリレンジイソシアネート(XDI)、テトラメチルキシリレンジイソシアネート(TMXDI)、トリジンジイソシアネート(TODI)、1,5-ナフタレンジイソシアネート(NDI)、トリフェニルメタントリイソシアネートのような芳香族ポリイソシアネート;ペンタメチレンジイソシアネート(PDI)、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート(TMHDI)、リジンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート(NBDI)のような脂肪族ポリイソシアネート;トランスシクロヘキサン-1,4-ジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ビス(イソシアネートメチル)シクロヘキサン(H6XDI)、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(H12MDI)のような脂環式ポリイソシアネート;これらのカルボジイミド変性ポリイソシアネート;これらのイソシアヌレート変性ポリイソシアネート;等が挙げられる。
これらのうち、硬化性に優れる理由から、芳香族ポリイソシアネートであるのが好ましく、MDIであるのがより好ましい。芳香族ポリイソシアネートは、分子内に少なくとも1つ、好ましくは2つ以上の芳香環を有するイソシアネートである。
低分子多価アルコール類としては、具体的には、例えば、エチレングリコール(EG)、ジエチレングリコール、プロピレングリコール(PG)、ジプロピレングリコール、(1,3-または1,4-)ブタンジオール、ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、ヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、グリセリン、1,1,1-トリメチロールプロパン(TMP)、1,2,5-ヘキサントリオール、ペンタエリスリトールなどの低分子ポリオール;ソルビトールなどの糖類;等が挙げられる。
縮合系ポリエステルポリオールを形成する多塩基性カルボン酸としては、例えば、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、フマル酸、マレイン酸、ピメリン酸、スベリン酸、セバシン酸、フタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ダイマー酸、ピロメリット酸、他の低分子カルボン酸、オリゴマー酸、ヒマシ油、ヒマシ油とエチレングリコール(もしくはプロピレングリコール)との反応生成物などのヒドロキシカルボン酸等が挙げられる。
ここで、数平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel permeation chromatography(GPC))により測定した数平均分子量(ポリスチレン換算)であり、測定にはテトラヒドロフラン(THF)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を溶媒として用いるのが好ましい。
残存ポリイソシアネート(a3)は、結晶性ポリオール化合物(a2)と反応しなかった原料ポリイソシアネートの残部である。主剤(A)に、残存ポリイソシアネート(a1)が含まれていることで、速やかに硬化剤(B)との反応を行うことができる。これにより、硬化時間を短くできるとともに、残存ポリイソシアネート(a1)が水分と反応し発泡することを抑制でき、硬化物の破断強度、弾性率、破断伸度等の引張特性の低下を抑制することができる。
硬化剤(B)は、数平均分子量が400未満のポリアミン化合物(b2)と、数平均分子量が400以上のポリアミン化合物(b3)と、非晶性ポリオール化合物(b1)と、を含む。
硬化剤(B)は、フィラー、老化防止剤、着色剤、粘度調整剤、可塑剤、及び数平均分子量が500未満の多価アルコール類からなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。数平均分子量が500未満の多価アルコール類は、硬化剤(B)により硬化物の物性を調整する成分として用いられる。数平均分子量が500未満の多価アルコール類として、例えば、上述した低分子多価アルコール類を用いることができる。一実施形態によれば、当該多価アルコール類の数平均分子量は200以下であることが好ましい。当該多価アルコール類の分子内に含まれる水酸基数は、例えば2~4である。当該多価アルコール類は、硬化剤(B)中、好ましくは5~20質量%含まれる。
破断強度、破断伸度に優れた硬化物として、具体的に、破断強度が15MPa以上であり、破断伸度が100%以上である硬化物が得られる。このような引張特性は、破断伸度が、従来のポリウレタン系接着剤と同等でありながら、破断強度が、エポキシ樹脂系接着剤の破断強度に準じる大きさである。このような特性を備える硬化物は、例えば、自動車のボディ等の構造体の部品同士を接合するのに適している。
破断伸度は、好ましくは150%以上であり、より好ましくは200%以上である。破断伸度の上限値は、特に制限されないが、例えば、500%程度である。
弾性率は、50MPa以上であり、好ましくは100MPa以上である。弾性率の上限値は、特に制限されないが、例えば、500MPa程度である。なお、弾性率は、JIS K7161に準拠した引張弾性率を意味する。
可使時間は、好ましくは15分以上であり、好ましくは50分以内である。
接着剤組成物の製造方法は、主剤(A)を作製するステップと、硬化剤(B)を作製するステップと、を備える。
本発明の効果を調べるために、表1及び表2に示した配合量に従って接着剤組成物を作製し、可使時間、硬化物の弾性率、破断強度、及び破断伸度を測定した。
ポリテトラメチレンエーテルグリコール(数平均分子量1000)100gと4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(数平均分子量250)100g(インデックス4.0)を、窒素雰囲気下、80℃で4時間撹拌を行い、反応させて、ウレタンプレポリマーを合成した。
・ポリテトラメチレンエーテルグリコール:
PTMG1000(数平均分子量1000)、三菱ケミカル社製
・4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート:
ミリオネートMT(分子量250)、東ソー社製
・カーボンブラック:200MP、新日化カーボン社製
・炭酸カルシウム1:重質炭酸カルシウム、スーパーS、丸尾カルシウム社製
・可塑剤:フタル酸ジイソノニル、ジェイプラス社製
・ポリオール1:グリセリンに、PO(1,2-プロピレンオキサイド)を付加させた後に、EO(エチレンオキサイド)を付加率14%で付加させたブロック共重合型ポリオール、サンニックスGL-3000、三洋化成社製
・ポリオール2:ポリイソプレンポリオール、出光興産社製
・ポリアミン1:ジエチルメチルベンゼンジアミン、DETDA、分子量178、三井化学ファイン社製
・ポリアミン2:ポリテトラメチレンオキシド-ジ-p-アミノベンゾエート、エラスマー1000P、数平均分子量1238、クミアイ化学工業社製
・ポリアミン3:テトラエチレンペンタミン、TEPA、分子量189、東京化成工業社製
・ポリアミン4:ジェファーミンD2000、数平均分子量2000、サンテクノケミカ社製
・炭酸カルシウム2:軽質炭酸カルシウム、カルファイン200、丸尾カルシウム社製
・シリカ:レオロシールQS-102S、トクヤマ社製
表中に示さないが、実施例に関して、ポリアミン化合物(b2)中のアミノ基/水酸基比は1.5~6の範囲内で調整し、ポリアミン化合物(b3)中のアミノ基/水酸基比は0.05~1の範囲内で調整し、イソシアネート基/アミノ基比は、1.2~6の範囲内で調整した。
可使時間は、主剤と硬化剤を混合後、ハンドリングできなくなるまでの時間、すなわち、接着剤として流動性が著しく失われるに至るまでの時間とした。可使時間が10~60分であるものを、可使時間が適度な長さであると評価した。
ひずみε1、ε2を下記の値とした点を除いて、JIS K7161に準拠して引張弾性率を求めた。すなわち、規定された2点のひずみε1=0.1%、およびε2=1.0%に対応する応力をそれぞれσ1、およびσ2とする時、応力の差(σ2-σ1)をひずみの差(ε2-ε1)で除した値を引張弾性率(E)とし、下式に基づいて求めた。
E=(σ2-σ1)/(ε2-ε1)
E:引張弾性率(MPa)、σ:引張応力(MPa)、ε:引張ひずみ
ダンベル状3号形試験片とし、JIS K6251に準拠して引張試験を行い、温度20℃、クロスヘッドスピード(引張速さ)200mm/分の条件で、引張強さ(破断強度)および切断時伸び(破断伸度)を測定した。破断伸度測定用の標線は20mmの間隔で付けた。この結果、破断強度が15MPa以上であった場合を破断強度に優れ、破断伸度が100%以上であった場合を破断伸度に優れると評価した。
実施例1~12の上記の要領で測定した破断強度、弾性率、破断伸度を、それぞれ、主剤(A)と硬化剤(B)を等量で混合した場合(実施例1,4,7,10)を100とする指数で表した。指数は、実施例1,4,7,10の破断強度、弾性率、破断伸度に対する、実施例2,3,5,6,8,9,11,12の破断強度、弾性率、破断伸度の変化率(%)に100を加えて計算した。この結果、弾性率指数が70~130の範囲内だった場合を、主剤(A)と硬化剤(B)の混合比がずれたときの弾性率の変化が小さいと評価した。
3 粒子状物
5 マトリックス
Claims (9)
- ウレタンプレポリマー(a1)を含む主剤(A)と、
非晶性ポリオール化合物(b1)と、数平均分子量が400未満のポリアミン化合物(b2)と、数平均分子量が400以上のポリアミン化合物(b3)と、を含む硬化剤(B)と、を有し、
前記ウレタンプレポリマー(a1)は、原料ポリイソシアネートと、結晶性ポリオール化合物(a2)とを、前記結晶性ポリオール化合物(a2)中の水酸基に対する前記原料ポリイソシアネート中のイソシアネート基の当量比を1.8以上として、前記結晶性ポリオール化合物(a2)のすべてが前記ウレタンプレポリマー(a1)の単量体単位となるよう反応させて得たものであり、
前記結晶性ポリオール化合物(a2)は、数平均分子量250以上のポリテトラメチレンエーテルグリコールであり、
前記主剤(A)は、前記ウレタンプレポリマー(a1)のほか、前記結晶性ポリオール化合物(a2)と反応しなかった前記原料ポリイソシアネートの残部である残存ポリイソシアネート(a3)をさらに含み、
前記非晶性ポリオール化合物(b1)は、分子内に少なくとも2つの水酸基を有する数平均分子量1000以上の化合物であって、ポリオキシプロピレングリコール、ポリブタジエンポリオール、ポリイソプレンポリオール、ポリアクリルポリオール、及びこれらのそれぞれを部分的に変性させた部分変性物の中から選択される少なくとも1種であり、
前記ポリアミン化合物(b2)及び前記ポリアミン化合物(b3)の少なくとも一方は、分子内に少なくとも1つの芳香環を有し、
前記硬化剤(B)中の活性水素基に対する前記主剤(A)中のイソシアネート基の当量比が0.8~4であり、
前記非晶性ポリオール化合物(b1)中の水酸基に対する前記主剤(A)中のイソシアネート基の当量比は2~12である、ことを特徴とする2液硬化型接着剤組成物。 - 前記ポリアミン化合物(b2)及び前記ポリアミン化合物(b3)の少なくとも一方は、ポリエーテル系アミン化合物である、請求項1に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記非晶性ポリオール化合物(b1)中の水酸基に対する前記ポリアミン化合物(b2)中のアミノ基の当量比は1.5~6である、請求項1又は2に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記非晶性ポリオール化合物(b1)中の水酸基に対する前記ポリアミン化合物(b3)中のアミノ基の当量比は0.05~1である、請求項1から3のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記非晶性ポリオール化合物(b1)は、分子内に、ポリエチレングリコールの単量体単位及びポリプロピレングリコールの単量体単位の少なくとも一方を含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記2液硬化型接着剤組成物を硬化させた硬化物のJIS K6251に準拠した、引張強さは15MPa以上であり、切断時伸びは100%以上である、請求項1から5のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記2液硬化型接着剤組成物を硬化させた硬化物の引張弾性率は50MPa以上である、請求項1から6のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 前記主剤(A)と前記硬化剤(B)の質量比は3:7~7:3である、請求項1から7のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
- 可使時間が10分から60分である、請求項1から8のいずれか1項に記載の2液硬化型接着剤組成物。
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