【発明の詳細な説明】
エポキシ官能性ポリエーテル
本発明はエポキシ官能性ポリエーテルに関するものである。
エポキシ樹脂の各用途、たとえば乳化剤もしくは希釈剤として有用である化合
物につき益々需要が高まっている。何故なら、エポキシ樹脂は益々特異的かつ要
求の高まった条件下で作用することが必要とされるからである。この点に関し、
特に水性系エポキシ樹脂組成物が挙げられ、これらは従来の有機溶剤系よりも環
境上優しい。この種の水性系は、水相および有機相に対し相容性でなければなら
ない特定の乳化剤および/または希釈剤を必要とする。エポキシ官能基を有する
化合物は硬化したエポキシマトリックスに対し相容性を増大することが望ましい
。さらに、所望用途に応じ所定の親水性および疎水性の各セグメントを有する化
合物を与えうることも望ましい。
本発明の目的は、新規なエポキシ官能性ポリエーテルを含む組成物を提供する
ことにある。さらに本発明の他の目的は、エポキシ官能性ポリエーテルの製造方
法を提供することにある。本発明の他の目的は新規なエステル自身である。
たとえば被覆目的に適する水性エポキシ樹脂組成物に乳化剤および/または反
応性希釈剤として使用するのに極めて適する或る種のエポキシ官能性ポリエーテ
ルを含む組成物を、或る種のジカルボン酸と2個以上のエポキシ基を有するエポ
キシ樹脂との反応により作成しうることが突き止められた。
したがって本発明は、(a)式:
[式中、QはAもしくはBであり、ZはC1-20ヒドロカルビレン部分であり、X
およびYは独立して水素、メチルもしくはエチル基であり、ただしXがメチルも
しくはエチルであればYは水素であり、またはYがメチルもしくはエチルであれ
ばXは水素であり、m+n+oは1〜450の正の実数である]
を有するカルボン酸、および(b)少なくとも1分子当たり1.5個のエポキシ
ド基の官能価を有するエポキシ樹脂を1:2〜1:20のカルボン酸とエポキシ
樹脂とのモル比にて反応させることにより作成された生成物を含む組成物に関す
るものである。
親水性カルボン酸は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または酸化エチレンと酸化プロピレンもしくはポリ酸化ブ
チレンとのブロックコポリマー(「ポリアルキレングリコール」)を無水物と反
応させて作成することができる。好ましくは、ポリアルキレングリコールは式:
[式中、DはEもしくはFであり、XおよびYは独立して水素、メチルもしくは
エチル基であり、ただしXがメチルもしくはエチルであればYは水素であり、或
いはYがメチルもしくはエチルであればXは水素であり、m+n+oは1(好ま
しくは20)〜450(好ましくは400)の正の実数であり、m、nおよびo
は独立して0〜450の正の実数である]
を有する。
ポリアルキレングリコールは一般に、変化する個数のオキシエチレン単位(n
もしくはo)および/またはオキシプロピレンもしくはオキシブチレン単位(m
)を有する化合物の分布を含む。一般に、上記個数の単位は統計平均および分布
のピークに最も近い全数である。ここで用いる正の実数は正である数を意味し、
整数および整数の分数を包含する。
カルボン酸は、ポリアルキレングリコールを環式無水物と反応させて対応する
二酸を作成することにより製造することができる。好適な環式無水物は、たとえ
ば無水メチルヘキサヒドロフタル酸、無水エチルヘキサヒドロフタル酸、無水フ
タル酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水コハク酸、無水マレイン酸、ビシクロ
[2.2.1]ヘプタン、無水2,3−ジカルボン酸およびクロレンジックアン
ヒドライド酸を包含する。ポリアルキレングリコールと無水物とのモル比は約1
:2〜約1:1.8の範囲、好ましくは当量である。ポリアルキレングリコール
と無水物とのモル比または当量を決定する際、ポリアルキレングリコールにおけ
るヒドロキシル基は2として計算され、無水物におけるカルボン酸基は1として
計算される。
カルボン酸は一般式:
H−Q−H (VI)
[式中、Q、X、YおよびZは上記の意味を有する]
により示すことができる。好ましくはZはC1-20アルキレン、C3-20シクロアル
キレン(これは二環式部分を含む)、C4-20アルキレン置換シクロアルキレン、
C6-20アリーレンまたはC7-20アルキル置換アリーレンである。より好ましくは
ZはC1-20アルキレン、C5-6シクロアルキレン、C6-12アリーレン、C7-20ア
ルキレン置換シクロアルキレンまたはC7-20アルキル置換アリーレンである。最
も好適な具体例において、Zは式
[式中、R8はC1-10アルキルであり、tは0もしくは1である]
に対応する。好ましくはR8はC1-3アルキル、特に好ましくはメチルである。
本発明のエポキシ官能性ポリエーテルは、上記カルボン酸を疎水性エポキシ樹
脂と反応させて製造される。一般にエポキシ樹脂は、好ましくは平均して1分子
当たり1.5個のエポキシド基よりも大の1,2−エポキシ当量(官能価)を有
する任意の反応性エポキシ樹脂とすることができる。エポキシ樹脂は飽和もしく
は不飽和、線状もしくは分枝鎖、脂肪族、脂環式、芳香族もしくは複素環式とす
ることができ、さらにカルボン酸との反応を実質的に阻害しないような置換基を
有することができる。この種の置換基は臭素もしくは弗素を包含する。これらは
モノマーもしくはポリマーの液体もしくは固体としうるが、好ましくは室温にて
液体もしくは低融点の固体である。適するエポキシ樹脂は、エピクロルヒドリン
を少なくとも1.5個の正の実数の芳香族ヒドロキシル基を有する化合物とアル
カリ性反応条件下で反応させて作成されるグリシジルエーテルを包含する。本発
明で使用するのに適するエポキシ樹脂の例は二価化合物のジグリシジルエーテル
を包含する。一般に、エポキシ樹脂は異なる1,2−エポキシ当量数を有する化
合物の分布を含む。
好適エポキシ樹脂は限定はしないが、式:
[式中、R1は二価の脂肪族基、二価の脂環式基、二価のアリール基もしくは二
価アリール脂肪族基であり、好ましくはR1は約8〜120個の炭素原子を有す
る]
により示されるものを包含する。二価の脂肪族基と言う用語は、酸素原子および
/または硫黄原子を骨格上に有する化合物を包含する。たとえばR1は式
[式中、R5およびR6はそれぞれ独立してアルキレン基である]
を有する二価の脂環式基、または式
[式中、R7はアルキレン基である]
を有する二価のアリール脂肪族基とすることができる。
好ましくはエポキシ樹脂は二価フェノールのジグリシジルエーテル、水素化さ
れた二価フェノールのジグリシジルエーテル(脂環式グリシジルエーテル)、脂
肪族グリシジルエーテルまたは脂環式エポキシである。
二価フェノールのジグリシジルエーテルは、たとえばエピハロヒドリンをアル
カリの存在下で二価フェノールと反応させて製造することができる。適する二価
フェノールの例は2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(ビスフェ
ノール−A);2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−t−ブチルフェニル)プロ
パン;1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン;1,1−ビス(4−ヒ
ドロキシフェニル)イソブタン;ビス(2−ヒドロキシ−1−ナフチル)メタン
;1,5−ジヒドロキシナフタレン;1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−アル
キルフェニル)エタンなどを包含する。さらに、適する二価フェノールはフェノ
ールとたとえばホルムアルデヒドのようなアルデヒドとの反応から得ることもで
きる(ビスフェノール−F)。二価フェノールのジグリシジルエーテルは、上記
二価フェノールのジグリシジルエーテルとたとえばビスフェノール−Aのような
フェノール化合物との融合生成物を包含し、たとえば米国特許第3,477,9
90号および第4,734,468号に記載されたものである。
水素化された二価フェノールのジグリシジルエーテル(または脂環式グリシジ
ルエーテル)は、たとえば二価フェノールの水素化に続くルイス酸触媒の存在下
におけるエピハロヒドリンでのジグリシド化およびその後の水酸化ナトリウムと
の反応によるグリシジルエーテルの生成により製造することができる。適する二
価フェノールの例は上記した通りである。
必要に応じエーテル結合として骨格上に酸素原子を有する脂肪族グリシジルエ
ーテルは、たとえばエピハロヒドリンをルイス酸触媒の存在下に脂肪族ジオール
もしくはポリ酸化アルキレングリコールと反応させ、次いでハロヒドロリン中間
体を水酸化ナトリウムとの反応によりグリシジルエーテルまで変換させて製造す
ることができる。好適脂肪族グリシジルエーテルの例は、式:
[式中、pは2〜12、好ましくは2〜6の整数であり、qは4〜24、好まし
くは4〜12の整数である]
に対応するものを包含する。
適する脂肪族グリシジルエーテルの例はたとえば1,4−ブタンジオール、ネ
オペンチルグリコール、シクロヘキサンジメタノール、ヘキサンジオール、ポリ
プロピレングリコールなどのジオールおよびグリコールのジグリシジルエーテル
;並びにトリメチロールエタンおよびトリメチロールプロパンのトリグリシジル
エーテルを包含する。
脂環式エポキシは、2個以上のオレフィン結合を有するシクロアルケン含有化
合物を過酢酸でエポキシド化して作成することができる。好適な脂環式エポキシ
は、式:
[式中、R8は必要に応じエーテル基もしくはエステル基を有する二価の脂肪族
基であり、またはR3もしくはR4と一緒になって必要に応じ異原子を有するスピ
ロ環を形成し、さらにR3およびR4は独立して水素であるか、またはR3または
R4はR2と一緒になって必要に応じたとえば酸素のような異原子を有するスピロ
環を形成する]
に対応するもを包含する。好ましくはR2は約1〜20個の炭素原子を有する。
脂環式エポキシの例はたとえば3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−(3,
4−エポキシ)シクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロ脂肪族ジエーテルジ
エポキシ[2−(3,4−エポキシ)シクロヘキシル−5,5−スピロ(3,4
−エポキシ)−シクロヘキサン−m−ジオキサン]、ビス(3,4−エポキシ−
シクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(3,4−エポキシシクロヘキシル)
アジペートおよびビニルシクロヘキセンジオキシド[4−(1,2−エポキシエ
チル)−1,2−エポキシシクロヘキサン]を包含する。脂環式エポキシは式:
の化合物を包含する。
好適エポキシ樹脂の市販例はたとえばエポン樹脂DPL−862、828、8
26、825、1001、エポネックス樹脂1510、ヘロキシ改質剤107、
67、68および32(エポン、エポネックスおよびヘロキシは商標である)を
包含し、これらは全てシェル・ケミカル・カンパニーから入手でき、さらにユニ
オン・カーバイド・エポキシ樹脂ERL−4221、−4289、−4299、
−4234および−4206を包含する。
カルボン酸を、酸基とエポキシド基とを反応させると共に式:
[式中、QはAもしくはBであり、R1は独立して二価の炭化水素基であり、前
記二価の炭化水素基は8〜120個の炭素原子を有し、XおよびYは独立して水
素、メチルもしくはエチル基であり、ただしXがメチルもしくはエチルであれば
Yは水素であり、或いはYがメチルもしくはエチルであればXは水素であり、m
+n+oは1〜450の正の実数であり、R2は必要に応じエーテル基もしくは
エステル基を有する二価の脂肪族基であり、またはR3もしくはR4と一緒になっ
て必要に応じ異原子を有するスピロ環を形成し、R3およびR4は独立して水素で
あり、或いはR3もしくはR4はR2と一緒になって必要に応じたとえば酸素のよ
うな異原子を有するスピロ環を形成する]
により示されるエポキシ官能性ポリエーテルを生成させるのに有効な条件下でエ
ポキシ樹脂と接触させる。脂環式環に結合するOHおよびQの位置は、脂環式環
の開環反応により形成される種々異なる異性体を示す。二酸Q部分はR2もしく
はエポキシ部分からパラ位置もしくはメタ位置のいずれかに付着することができ
る。
典型的にはカルボン酸とエポキシ樹脂とのモル比は1:2(より好ましくは1
.3)〜1:20(より好ましくは1:10)の範囲である。反応は典型的には
室温乃至酸基とエポキシド基とを反応させるよう充分高められた温度にて行われ
、典型的には25℃(好ましくは60℃)〜150℃(好ましくは130℃)の
範囲であって、反応生成物を生成させるのに有効な時間にわたり反応させる。反
応の過程は、反応混合物の酸当量およびエポキシ当量を測定して所望生成物を生
成するよう監視すると共に目標とすることができる。一般に反応混合物を、最初
の当量数の99%より大もしくはそれに等しい酸が消費されるまで加熱し、少な
くとも当量のエポキシが一般に1時間もしくはそれ以上で消費される。脂環式エ
ポキシについては、エポキシのみの消費を追跡して反応の経過を監視することは
、この種のエポキシ基の競合性単独重合に基づき間違いをもたらしうる。好まし
くは、この反応は触媒の存在下に行われる。
反応は典型的には、2分子のジエポキシドと2分子の二酸との縮合から生ずる
分子、並びに他のオリゴマー物質または未反応のエポキシドを、エポキシド樹脂
とカルボン酸基とのモル比および反応を進行させる時間の程度に応じて含有する
生成物を生成する。反応は完結前に停止させることができ、この場合はモノエポ
キシモノ酸物質が生成混合物中に存在する。好ましくは過剰のエポキシ樹脂(エ
ポキシ樹脂とカルボン酸とのモル比は2:1より大である)を使用して、ポリエ
ステル化される物質の生成を最小化させる。所望ならば、ジエポキシド生成物ま
たは主としてジエポキシド生成物を含有する混合物(ジエポキシドが混合物にお
る最大成分である)を慣用技術により反応混合物から回収することができる。
触媒は塩基または金属キレート、たとえばアンモニウム化合物、ホスホニウム
化合物、第三アミンおよびホスフィンとすることができる。より好適な触媒の例
はたとえばトリフェニル−ホスホニウム酸アセテート、エチルトリフェニルホス
ホニウムイオダイド、ベンジルジメチルアミン、トリフェニルホスフィン、トリ
ブチルアミン、サリチル酸アルミニウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなど
を包含する。存在させる触媒の量は、エポキシ樹脂とカルボン酸との総重量に対
し、好ましくは0.005(より好ましくは0.01)〜1.0(より好ましく
は0.5)重量%である。
実施例1〜7は二酸未満ポリアルキレングリコールの作成を例示する。実施例
8〜16は本発明によるエポキシ官能性ポリエーテルの作成を例示する。
以下の実施例で使用したポリエチレングリコール(PEG)はフルカ・ケミカ
ル・カンパニーから入手した。エポン樹脂828(186〜188のエポキシ当
量を有する二価フェノールのジグリシジルエーテル)およびエポネックス樹脂1
510(220のエポキシ当量を有する二価フェノールの水素化されたジグリシ
ジルエーテル)はシェル・ケミカル・カンパニーから入手した。実施例1
二酸未満ポリエチレングリコール6000の作成
500mLフラスコに200.0gの分子量(MW)6,000のポリエチレ
ングリコール(PEG)(フルカ社)と当量(11.2g)の無水4−メチル−
ヘキサヒドロフタル酸(MHHPA)とを添加した。撹拌下に混合物を110℃
まで加熱し、2時間保持して当量3,168の二酸停止物質を作成した。実施例2
二酸未満のポリエチレングリコール6000の作成
500mLフラスコに200.0gのMW6,000のPEG(フルカ社)と
当量(11.2g)のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで
加熱し、2時間保持して当量3,168の二酸未満物質を作成した。実施例3
二酸未満のポリエチレングリコール8000の作成
500mLフラスコに150.0gのMW8,000のPEG(フルカ社)と
当量(6.3g)のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで加
熱し、2時間保持して当量4,168の二酸未満物質を作成した。実施例4
二酸未満のポリエチレングリコール3000の作成
500mLフラスコに200.1gのMW3,000のPEG(フルカ社)と
当量(22.4g)のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで
加熱し、2時間保持して当量1,668の二酸未満物質を作成した。実施例5
二酸未満のポリエチレングリコール10000の作成
500mLフラスコに200.0gのMW10,000のPEG(フルカ社)
と当量(6.7g)のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで
加熱し、2時間保持して当量5,168の二酸未満物質を作成した。実施例6
ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとの二酸未満ブロックコ
ポリマーの作成
500mLフラスコに100.1gのMW11,400のポリエチレングリコ
ール/ポリプロピレングリコール ブロック コポリマー(BASF社から入手
しうるプルロニックF88(プルロニックは商標である))と当量(3.0g)
のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで加熱し、1.5時間
保持して当量5,868の二酸未満物質を作成した。実施例7
二酸未満ポリエチレングリコール3000の作成
500mLフラスコに200.0gのMW3,000のPEG(フルカ社)と
当量(22.4g)のMHHPAとを添加した。撹拌下に混合物を110℃まで
加熱し、2時間保持して当量1,668の二酸未満物質を作成した。実施例8
二酸未満ポリエチレングリコール6000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
残留未反応酸)
500mLフラスコに150.1gの実施例1からの生成物と、44.3g(
5当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(シ
ェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)とを添加した。撹拌下に
混合物を100℃まで加熱し、0.056gのエチルトリフェニルホスホニュー
ムイオダイドを添加した。混合物を100℃にて1.5時間加熱して0.102
meq/gの酸価を有する物質を作成した。n=136。実施例9
二酸未満ポリエチレングリコール6000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
残留未反応酸)
500mLフラスコに150.0gの実施例2からの生成物と、88.7g(
10当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(
シェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.061gのエ
チルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を10
0℃まで加熱し、1.5時間保持して0.067meq/gの酸価を有する改質
樹脂を作成した。n=136。実施例10
二酸未満ポリエチレングリコール8000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
残留未反応酸)
500mLフラスコに125.0gの実施例3からの生成物と、56.1g(
10当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(
シェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.034gのエ
チルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を10
0℃まで加熱し、1.5時間保持して0.104meq/gの酸価を有する改質
樹脂を作成した。n=182。実施例11
二酸未満ポリエチレングリコール3000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
残留未反応酸)
500mLフラスコに150.0gの実施例4からの生成物と、168.2g
(19当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂
(シェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.070gの
エチルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を1
00℃まで加熱し、1.5時間保持して0.122meq/gの酸価を有する改
質樹脂を作成した。n=68。実施例12
二酸未満ポリエチレングリコール10000で改質されたエポキシ樹脂の作成
(残留未反応酸)
500mLフラスコに100.0gの実施例5からの生成物と、36.1g(
10当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(
シェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.033gのエ
チルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を10
0℃まで加熱し、1.5時間保持して0.047meq/gの酸価を有する改質
樹脂を作成した。n=227。実施例13
ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとの二酸未満ブロックコ
ポリマーで改質されたエポキシ樹脂の作成(酸の完全な反応)
500mLフラスコに84.0gの実施例6からの生成物と、53.6g(2
0当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(シ
ェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.028gのエチ
ルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を100
℃まで加熱し、2.0時間保持して<0.001meq/gの酸価を有する改質
樹脂を作成した。n=104、m=39およびo=104。実施例14
二酸未満ポリエチレングリコール6000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
酸の完全な反応)
実施例9からの生成物を130℃まで加熱されたオープンに入れ、0.5時間
保持して<0.001meq/gの酸価を有する改質樹脂を作成した。n=13
6。実施例15
二酸未満ポリエチレングリコール3000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
酸の完全な反応)
実施例11からの生成物を130℃まで加熱されたオープンに入れ、1.0時
間保持して<0.001meq/gの酸価を有する改質樹脂を作成した。n=6
8。実施例16
二酸未満ポリエチレングリコール3000で改質されたエポキシ樹脂の作成(
酸の完全な反応)
500mLフラスコに168.2gの実施例7からの生成物と、150.0g
(8当量)の186g/eqの当量を有するビスフェノール−Aエポキシ樹脂(
シェル・ケミカル・カンパニーからのエポン樹脂828)と、0.065gのエ
チルトリフェニルホスホニウムイオダイドとを添加した。撹拌下に混合物を10
0℃まで加熱し、2.0時間保持して<0.01meq/gの酸価を有する改質
樹脂を作成した。n=68。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】1997年1月15日
【補正内容】
補正請求の範囲
1. エポキシ樹脂、ならびに乳化剤および/または反応性希釈剤として(a)
式:
[式中、QはAもしくはBであり、ZはC1-20ヒドロカルビレン部分であり、X
およびYは独立して水素、メチルもしくはエチル基であり、ただしXがメチルも
しくはエチルであればYは水素であり、またはYがメチルもしくはエチルであれ
ばXは水素であり、nまたはm+n+oは1〜450の正の実数である]
を有するカルボン酸、および(b)少なくとも1分子当たり1.5個のエポキシ
ド基の官能価を有するエポキシ樹脂を1:2〜1:20のカルボン酸とエポキシ
樹脂とのモル比にて反応させることにより作成された生成物を含む、水性をベー
スとするエポキシ樹脂組成物。
2. nまたはm+n+oが6〜200の正の実数である請求の範囲第1項に記
載の水性エポキシ樹脂組成物。
3. エポキシ樹脂反応体(b)が疎水性エポキシ樹脂である請求の範囲第1お
よび2項に記載の水性エポキシ樹脂組成物。
4. エポキシ樹脂が式:
[式中、R1は二価の脂肪族基、二価の脂環式基、二価のアリール基または二価
のアリール脂肪族基である]
を有する請求の範囲第1〜3項に記載の水性エポキシ樹脂組成物。
5. エポキシ樹脂が二価フェノールのジグリシジルエーテルまたは水素化され
た二価フェノールのジグリシジルエーテルである請求の範囲第1〜4項に記載の
水性エポキシ樹脂組成物。
6. 請求の範囲第1〜5項の組成物を含む水性コーチング組成物。
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フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG
,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,SZ,U
G),AL,AM,AT,AU,BB,BG,BR,B
Y,CA,CH,CN,CZ,DE,DK,EE,ES
,FI,GB,GE,HU,IS,JP,KE,KG,
KP,KR,KZ,LK,LR,LT,LU,LV,M
D,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL
,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,
TJ,TM,TT,UA,UG,UZ,VN