JPH07503755A - 耐工程性が向上した水ベースのコーティング組成物 - Google Patents
耐工程性が向上した水ベースのコーティング組成物Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
耐工程性が向上した水ベースのコーティング組成物発明の背景
本発明は、金属表面をコーティングするのに好適で、そして高温で耐水性を示す
水性コーティング組成物である。従って、これらの組成物は特に、充填中または
充填後に高温工程を伴う缶類をコーティングするのに適している。
食物または飲料用の金属製容器は、典型的には、容器の腐食を遅らせ、そして表
面の外観を向上させるために、表面がコーティングされる。一般に、食物および
飲料用の缶は、アルミニウム、鋼板、ブラックプレート(blackplate
)またはスズめっき鋼板製である。これらの金属容器は、空気酸化および食物ま
たは飲料物による腐食作用を受け、そのどちらもが、缶詰製造工程における高温
の殺菌または滅菌工程中に促進され得る。
耐高温工程性の缶用コーティングを提供するために、先行技術は、一般に、相当
量の有機溶媒を含有するコーティング組成物に依存してきた。これらのコーティ
ングの硬化中にこれらの有機溶媒か揮発することは、環境上望ましいものでは
−ない。従って、この分野においては、要求される程度の耐高温工程性を有する
水ベースのコーティングを見いだすことか望ましいと考えられてきた。水ベース
のコーティング組成物は、一般に、水溶性または水分散性のいずれかであるポリ
マーバインターをベースとしている。水分散物は、通常、界面活性剤を用いるエ
マルション重合により合成されることを必要とする。このようなコーティング組
成物から形成される塗膜中に界面活性剤が存在すると、塗膜の耐水性が低下する
。
このタイプの水分散組成物の一例が、米国特許第4.305.859号(McE
wanら)に開示されている。水溶性バインダー系はまた、一般に、耐水性に乏
しいことが問題であり、なぜなら、水溶性をもたせるためにカルボキン基含有量
を相対的に多くする必要があるためである。このような従来の水ベースコーティ
ングは、典型的には、工程条件下(例えば、250°F(121°c)蒸気で3
0分)において、軟化し、ふくれが発生し、またはブラッシング(水を吸収する
ために濁る)する。先行技術では、相当量の水性アミン樹脂(例えば、メラミン
またはベンゾグアナミンのアルコキノ誘導体)を含有させることにより、このタ
イプの組成物の耐水性を向上させようとしたが、このアプローチの不利な点は、
典型的には、フィルムの柔軟性を損ない、そして硬化反応における望ましくない
産物としてホルムアルデヒドか生成することである。さらに、これらのアミノ樹
脂の架橋安定性は、高温の水にさらされる条件下では、望ましいレベル以下であ
る。
メラミンまたはベンゾグアナミン誘導体などに本質的に依存せず、耐高温工程性
を有する水ベースの缶用コーティングが強く望まれている。高レベルの耐工程性
は、250°F(121°C)蒸気で30分耐久する能力により示される。さら
に耐工程性に優れることが、より望ましく、そのことは、250°F(121°
C)蒸気で90分耐久する能力により証明される。
米国特許第4.076、917号(Swiftら)は、ポリマーを硬化するため
に、水系(waterborne)のアクリル系ポリマーのカルボキシ基との反
応にヒドロキシアルキルアミドを用い得ることを開示している。この特許は、硬
化させるためには、用いるヒドロキシアルキルアミドの量を、アクリル系ポリマ
ー中のカルボキン基の量に比例して選択すべきであることを開示する。さらに詳
細には、ポリマー中のカルボキシ基に対するヒドロキシアルキルアミドのヒドロ
キシ基の比は、約0.5:1から約2・1の範囲内であり、好ましくは1.1で
あることを開示する。この特許のすべての実施例では、上記の比は1.1(また
は「化学量論的」)である。
聚五旦互1
本発明は、以下を有する、水かベースであり得るコーティング組成物である:
(1)カルボキシ官能性を有するアクリル系ポリマーを含有するバインダー樹脂
、および(2)ヒドロキシアルキルアミドを含有する硬化剤。ここで、/<イン
グー樹脂中のカルボキシ基に対するヒドロキシアルキルアミドのヒドロキシ基の
比は、0.5:1より小さく、好ましくは1に対して04より小さく、そして最
も好ましくは1に対して0.35より小さい。これは、カルボキシ官能性のポリ
マーコーティングを硬化するために、先行技術で必要と考えられていたヒドロキ
シアルキルアミドの量より少ない。驚くべきことに、このようなヒドロキシルア
ルキルアミドのレベルの低いコーティング組成物から、優れた耐工程性、すなわ
ち高温での耐水性を有する塗膜が生成し得ることが現在明らかになった。従って
、本発明のコーティングは、食物および飲料用の金属製容器において使用するた
めに特に適している。
詳細な説明
ヒドロキシアルキルアミド硬化剤は、前記の米国特許第4゜076、917号(
Swiftら)に開示され、そして、Rohm and HaasCompan
y(Philadelphia、 Penn5ylvania)から市販されて
いる。
これらは以下の式により表される:
[HO(R3)2C(R2)2C→−−1,−A−(−C−N−C(R2)2C
(R3)20111.。
Aは、結合、水素、または飽和または不飽和アルキル基から誘導される1価また
は多価の有機基であり、ここで、このアルキル基は、1〜60個の炭素原子を含
有する(例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘ
プチル、オクチル、ノニル、デシル、エイコシル、トリアコンチル、テトラコン
チル、ペンタコンチル、ヘキシルコンチルなど)ニアリール(例えば、単核およ
び三核アリール(例えば、フェニル、ナフチルなど))から誘導される1価また
は多価の有機基であり;トリー低級アルキレンアミノ(例えば、トリメチレンア
ミノ、トリエチレンアミノなど)から誘導される1価または多価の有機基であり
;または、1種またはそれ以上のエチレン性基を含む不飽和ラジカル(例えば、
エチニル、1−メチルエチニル、3−フチニル−1,3−ジイル、2−プロペニ
ル−1,2−ジイル、カルホキ/低級アルケニル(例えば、3−カルボキン−2
−プロペニルなど)、低級アルコキシカルボニル低級アルケニル(例えば、3−
メトキシカルボニル−2−プロペニルナト))から誘導される1価または多価の
有機基である;R1は、水素、1〜5個の炭素原子を有する低級アルキル(例え
ば、メチル、エチル、n−プロピル、n−ブチル、5ec−ブチル、tert−
ブチル、ペンチルなと)、または1〜5個の炭素原子を有するヒドロキシ低級ア
ルキル(例えば、ヒドロキシエチル、3−ヒドロキシプロピル、2−ヒドロ牛ジ
プロピル、4−ヒドロキシブチル、3−ヒドロキシブチル、2−ヒドロキシ−2
−メチルプロピル、5−ヒドロキシペンチル、4−ヒドロキシペンチル、3−ヒ
ドロ+7ペンチル、2−ヒドロキシペンチル、およびこれらのペンチルの異性体
)である;
R’およびR’は、水素、1〜5個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の低級
アルキルより選択される、同一または異なる基であるか、あるいは、R2のうち
のひとつとR1のうちのひとつとか、炭素原子と共に、例えば、シクロペンチル
、シクロヘキンルなどを形成していてもよい;
nは整数1または2であり、そしてnoは0から2の整数である。あるいはno
がOのとき、Aが不飽和基である場合に、β−ヒドロキシアルキルアミンから形
成されるポリマーまたはフポリマーである(すなわち、nは1より大きく、好ま
しくは2〜10である)。
硬化剤として用いられ得る、上記の式の範囲内にあるヒドロキシアルキルアミド
の特定の例としては、ビス[N、N−ジ(β−ヒドロキシエチル)コ アジポア
ミド(Rohm and HaasからrQM552Jとして入手可)、ビス[
N、N−ジ(β−ヒドロキシプロピル)] スクシンアミド、ビス[N、N−ジ
(β−ヒドロキシエチル)]アゼラミド(azelamide)、ビス[N、N
−ジ(β−ヒドロキシプロピル)]アジボアミド、およびビス[N−メチル−N
−(β−ヒドロキシエチル)]オキサミドが挙げられる。
メラミン銹導体タイプの硬化剤と比較した、ヒドロキシアルキルアミド硬化剤の
利点は、後者の場合には架橋反応の副生成物としてホルムアルデヒドを形成しな
いことである。別の利点は、ヒドロキシアルキルアミドとカルボキシ基との架橋
反応は、水の沸点において実質上不可逆であることである。
さらに、コーティング組成物から形成される塗膜の柔軟性を実質的に損なうこと
なく、耐高温工程性が得られる。本発明は、コーティングを硬化するのにメラミ
ン誘導体に依存しないが、少1(例えば、05から3%)のメラミン誘導体は、
使用性を向上させるなどの別の目的のために、ある種のコーティング組成物中に
含まれ得る。これら少量のメラミン誘導体を含有することは、過度に耐工程性を
損なうことな(本発明のコーティング組成物中で許容され得る。
本発明のコーティング組成物のバインダーに含有されるアクリル系ポリマーは、
エチレン性不飽和モノマーのフリーラジカル付加重合により調製され得る。アク
リル酸および/またはメタクリル酸およびそれらのエステルを含む、当該分野に
公知の広い範囲のアクリル系モノマーが、重合のために用いられ得る。典型的な
アクリルエステルは、(メタ)アクリル酸メチル、 (メタ)アクリル酸エチル
、 (メタ)アクリル酸n−ブチルおよび(メタ)アクリル酸インブチルを包含
する低級アルキルエステルである。他のアクリルエステルとしては、 (メタ)
アクツル酸(2−エチルへキシル)、アクリル酸ドデシルが挙げられる。クロト
ン酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、/トラコン酸などを含む、カルボキ
シル基を含有する池の不飽和モノマーもまた用いられ得る。酸基を有するモノマ
ーを含有させると、アミンのような塩基でポリマーを中和することにより、コー
ティング組成物が水と親和性を有するようになる。酸基はまた、ヒドロキシアル
キルアミド硬化剤との反応にも必要である。これら両方の要求を満たすためには
、アクリル系ポリマーの合成のために用いられるモノマーのうちの12重量%(
固形分基準)を上回るモノマーが酸基を含有するべきである。好ましい実施態様
では、酸基を有するモノマーが20から50%含まれる。酸基を有するモノマー
を65%より多くすることは好ましくない。換言すれば、ポリマーIg(固形分
基準)あたり、KOHで1,5から9ミゾ当量の酸価を示すアクリル系ポリマー
が、十分な酸官能性を有する。マレイン酸無水物のような無水物が、カルボ牛シ
基を含有するモノマーの代わりに用いられ得、この場合、各無水物の酸官能性は
2とみなされる。
アクリル系ポリマーは、もっばらアクリル系モノマーを重合して得られるが、好
ましい実施態様では、アクリルモノマーと共重合したビニルモノマー(例えば、
スチレンまたはビニルトルエン)を含む。バインダーポリマー中にビニル成分を
含有させると、コーティングの高温耐水性がさらに向上されることが見い出され
た。ポリマー中の酸基の含有量を十分なものとするために、アクリル系ポリマー
の調製に用いられるモノマー中、85重量%(固形分基準)を下回る量でビニル
モノマーを含有することが好ましい。
上記のアクリル系ポリマーに加えて、バインダーは、コスト削減または組成物の
流動特性を変えるために、ポリエステルのような他の樹脂を含有し得る。しかし
ながら、一般に、このような付加は、コーティングの耐工程性を損なうことが分
かっており、従って最高水準の性能が望まれる好ましい実施態様には含まれない
。
モノマーを重合してアクリル系ポリマーを生成するためには、一般ニ、当該分野
に公知のように、フリーラジカル開始剤が存在することが必要である。フリーラ
ジカル開始剤としては、2.2−アゾビス−(2−メチルイソブチロニトリル)
などのアゾ化合物;バーオキシエステル類(例えば、t−ブチルパーオキ/アセ
テート、t−ブチルパーオクトエート、t−アミルバーオクトエート、t−アミ
ルパーアセテート、およびt−ブチルパーベンゾエート);アルキルヒドロバー
オキラド類(例エバ、L−ブチルヒドロパーオキシド);ジアシルバーオキシド
類(例えば、ジベンゾイルパーオキ7ド);およびジアルキルパーオキシド類(
例えば、ジし一プチルパーオキシドおよびジクミルバーオキシド)が挙げられる
。
当該分野で公知のように、アクリル系ポリマーは、モノマーおよびポリマーを溶
解する任意の適切な有機溶媒中で調製される。用いられ得る多くの溶媒として、
エーテル(例えば、2〜工トキンエタノール、2−ブトキシェタノール、ジエチ
レングリコールモノエチルエーテル、および1−メトキシ−2−プロパツール)
、およびアルコール(例えば、ブタノール、トリデンルアルコール、およびそれ
らの混合物)が挙げられる。重合が完結すると、当該分野で従来から行われてい
るように、アミンなどの塩基でポリマー中の酸基を実質的に中和し得、ポリマー
は水溶性となる。好ましくは、塩基が硬化した塗膜内に残存しないように、コー
ティングを硬化させる高い温度で揮発するような塩基が選択される。この後、ポ
リマーは水で希釈され得、所望ならば顔料と混合され、そして、ヒドロキシアル
キルアミン硬化剤、およびコーティング組成物の特定の用途のために所望され得
る池の添加剤と混合され得る。
缶の外部コーティングのためには、ワックスのような滑剤を含有させることが望
ましいとしばしば考えられ、そしてワ。
クスは重合段階で存在し得る。
組成物に混合するヒドロキシアルキルアミド硬化剤およびアクリル系ポリマーの
相対的な量は、アクリル系ポリマー中のカルボキン基に対する硬化剤中のヒドロ
キシ基の比によって決定される。本発明では、この比は、カルボキシル基1に対
してヒドロキシ基が0.5より小さく、好ましくは1に対して0.4より小さく
、そして最も好ましくは1に対して0.35より小さい。■に対して0602を
下回る比では、架橋が不十分で耐久性のあるフィルムが得られない。換言すれば
、本発明の好ましい実施態様におけるヒドロキシアルキルアミドの量は、一般に
、組成物のポリマー固形分総量の3から10重11%の範囲であり、好ましくは
3゜5から8重量%の範囲である。
本発明の重要な利点は、水ベースのコーティング組成物を提供することであるが
、この組成物の耐工程性特性を得るためには、必ずしも組成物が水ベースである
必要はないことが理解されるへきである。塩基で中和し、そして組成物を水で希
釈する代わりに、中和段階を省略し得、そして組成物を有機溶媒または有機溶媒
混合物で希釈し得る。
コーティングを基材上に塗布するためには、従来のいかなる方法も用いられ得る
が、缶をコーティングするには、ロールコーティングおよびディップコーティン
グが通常用いられる。缶内部への塗布はスプレー法によっても行い得る。本発明
のコーティング組成物は、所望するいかなる厚みにも塗布し得るが、最高の耐工
程性を得るには、乾燥塗膜厚を1ミル(0,025ミリメートル)より小さく、
好ましくは0.5ミル(0013ミリメートル)より小さく、最も好ましくは0
.2ミル(0゜005ミリメートル)より小さくする。ヒドロキシアルキルアミ
ド硬化剤が活性化するような高温でコーティングを硬化させ、通常は、250°
F(125°C)から750°F(400°C)の範囲で約2秒から30分の範
囲の時間で硬化させる。
本発明によれば、コーティングする前に表面を清浄にするか、あるいは処理する
のに必要とされる特別の操作をすることなく、高温工程条件下での金属表面への
良好な接着が達成されることは特筆すべきことである。ある先行技術の組成物は
、表面を特別に処理することで接着がなされ得るのに対し、本発明によれば、通
常の程度、基材を清浄にすることで同様の結果が達成され、さらに比較的清浄で
ない場合でも同様の結果が達成される。従って、本発明は広範囲の工業用操作を
提供する。このような工業用操作においては、理想的な表面処理は典型的には行
われない。
本発明のコーティング組成物中に用いるのに適切な水性アクリル系ポリマーは、
以下の実施例に記載するように得られた。
実施例■
反応容器に、ブチルセロソルブ■(500g)、ブタノール(166g) 、S
hel1max■ワックス(12g)、およびカルナウバワックス(12g)を
入れ、還流するまで加熱した。メタクリル酸メチル(840g)、スチレン(3
60g)、アクリル酸ブチル(720g)、アクリル酸(480g )およびt
erL−ドデシルメルカプタン(24g)からなるモノマーの溶液、および触媒
であるt−’チルパーベンゾエート(60g)をブチルセロソルブ■(60g)
に溶かした溶液を、同時に、3時間かけてこの反応混合物に加えた。次いで、t
−ブチルパーベンゾエート(6g)をブタノール(6g)に溶かした溶液を加え
、そしてこの反応混合物を1.5時間還流させた。反応物を冷却して130°C
より低くし、そしてジメチルエタノールアミン(475,5g)を加えた。
沸騰水(3000g)を15時間かけてゆつ(つと加え、そして反応混合物を7
3°Cで2時間保ち、水性媒体中にアクリル系ポリマーを得た。
以下の実施例に記載するように、本発明の白色コーティング組成物を調製し、そ
して試験した。
実施例II
実施例■で得られたアクリル系分散ポリマー生成物に二酸化チタンを分散させ、
顔料/バインダー比を171から1.2171の範囲とした。この分散体を、ヒ
ドロキシル当量のアクリル酸当量に対する比が0.24/1となるように、ビス
[N、N−ジ(β−ヒドロキシエチル)]アジボアミドと混合した。混合組成物
を、2片の延伸加工(drawn)およびしごき加工(1roned)を施した
アルミニウム缶およびスチール缶に塗布した。塗膜が01ミル(0,0025ミ
リメートル)から0.4ミル(0,01ミリメートル)の範囲の厚みになるよう
に重量を調節した。330°F(169°C)から450°F(232°C)の
範囲の温度で、2秒から4分の範囲の保持時間(dwell times)で缶
を硬化させた。硬化したコーティングを、1平方インチあたり15から17ボン
ド(103から117キロハスカル)ノ蒸気圧、および250’ F (121
°C)がら254°F(123℃)の温度で、15分から90分間、蒸気レトル
ト(steamretort)て処理した。このパネルに網目状に傷をっけ、そ
して5cotch 610テープを貼り、そして接着不良(adhesion
failure)について評価した。どのサンプルでも接着の欠損は見い出され
なかった。
以下の実施例に、本発明のコーティング組成物に用いられ得る、別の水性アクリ
ル分散体の製造について記載する。
実施例III
還流するまで加熱したブチルセロソルブ(658g )およびブタノール(26
0g )の溶液に、2種の溶液(1つはスチレン(1680g )およびアクリ
ル酸(720g)からなり、そしてもう1つは[−ブチルパーベンゾエート(8
4g)およびブチルセロソルブ(60g)からなる)を3時間かけて同時に加え
た。次いで、し−プチルバーヘンゾエーh (6g)をブタノール(6g)に溶
かした溶液を加え、そしてこの反応混合物を1.5時間還流させた。冷却して1
30°Cより低くした後、ジメチルエタノールアミン(667,4g)をこの反
応混合物に加えた。沸騰水(4900g)を1.5時間かけて加え、そして混合
物を73°Cで2時間保ち、水中にアクリル系ポリマーを得た。
以下の実施例に記載するように、本発明の範囲内および範囲外の透明なコーティ
ング組成物を調製し、そして試験した。
実施例IV
実施例+uで得られたアクリル分散体生成物を、カルボキシ当量1部あたりヒド
ロキシ当量が0.0.03.0.14.0.21.0゜34.0.44.0.5
9および0.98部の比となるように、ビス[N、N−ジ(β−ヒドロキシエチ
ル)コ アジボアミドと混合した。これを、1平方インチあたりの乾燥重量が約
2ミリgとなるように、スズめっき鋼板を延伸加工およびしごき加工を施した飲
料用の缶に塗布した。これらのコーティングした缶を、400゜F(204°C
)で90秒間、次いで再び400°F(204℃)で180秒間スト−ピングし
た。次いで、これらの缶を一部水に沈め、そして250°F(121°C)で9
0分間処理した。缶に傷をつけ、そして5cotch 610テープを貼った。
結果を以下の表に示す。
(以下余白)
ヒ)’o4ノ/jル本゛什比 外観上の欠陥 接着不良(領域)O激しいフ゛ラ
ブノンク゛−ふく れ 80%0.03 僅か〜中程度の7′ラブシンク゛ な
し0.14 中程度のフ゛ラフシンク′ な し0.21 僅がな71ラプノン
ク′ な し0.34 非常に僅かなフ゛ラフシンク゛ なし0.44 なし
1%より少ない
0.69 点状のさび生成 1〜3%
0.98 広範囲に点状のさび生成 25〜30%補正書の写しく翻訳文)提出
書(特許法第184条の7第1項)
Claims (11)
- 1.以下を有するコーティング組成物:(1)カルボキシ官能性を有するアクリ ル系ポリマーを含有するバインダー樹脂;および
- (2)ヒドロキシアルキルアミドを含有する硬化剤;ここで、該バインダー樹脂 中のカルボキシ基に対する該ヒドロキシアルキルアミド中のヒドロキシ基の比は 、0.5:1より小さい。 2.前記バインダー樹脂中のカルボキシ基に対する前記ヒドロキシアルキルアミ ド中のヒドロキシ基の比が、0.4:1より小さい、請求項1に記載のコーティ ング組成物。
- 3.前記バインダー樹脂中のカルボキシ基に対する前記ヒドロキシアルキルアミ ド中のヒドロキシ基の比が、0.35:1より小さい、請求項1に記載のコーテ ィング組成物。
- 4.大部分が水である溶媒をさらに含有する、請求項1に記載の組成物。
- 5.前記アクリル系ポリマーが、1.5〜9(ミリ当量KOH/ポリマー固形分 1g)の酸価を有する、請求項1に記載の組成物。
- 6.前記アクリル系ポリマーが、アクリル酸、メタクリル酸、およびそれらのエ ステルからなる群より選択されるモノマーのフリーラジカル重合の反応生成物で ある、請求項1に記載の組成物。
- 7.前記アクリル系ポリマーが、アクリル系モノマーとビニルモノマーとの共重 合生成物である、請求項6に記載の組成物。
- 8.前記ビニルモノマーがスチレンモノマーを含有する、請求項7に記載の組成 物。
- 9.前記ヒドロキシアルキルアミド硬化剤が、ビス[N,N−ジ(β−ヒドロキ シエチル)]アジポアミド、ビス[N,N−ジ(β−ヒドロキシプロピル)]ス クシンアミド、ビス[N,N−ジ(β−ヒドロキシエチル)]アゼラミド、ビス [N,N−ジ(β−ヒドロキシプロピル)]アジポアミド、ビス[N−メチル− N−(β−ヒドロキシエチル)]オキサミド、およびそれらの混合物からなる群 より選択される、請求項1に記載の組成物。
- 10.酸基を含有するモノマーが、前記アクリル系ポリマーを形成する前記モノ マーの12から65重量%を占める、請求項6に記載の組成物。
- 11.酸基を含有するモノマーが、前記アクリル系ポリマーを形成する前記モノ マーの20から50重重%を占める、請求項6に記載の組成物。
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