JPWO2007083715A1 - 液状エポキシ樹脂、エポキシ樹脂組成物、および硬化物 - Google Patents
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Abstract
Description
またコンポジット材、車の車体や船舶の構造材として、近年、その製造法の簡便さからRTMが使用されている。このような組成物においてはカーボンファイバー等への含浸のされやすさから低粘度のエポキシ樹脂が望まれている。
一般的に知られている液状エポキシ樹脂としてはもう一種、ビスフェノールFにエピクロルヒドリンを反応させて得られる化合物が知られている。従来、ビスフェノールF型エポキシ樹脂は、ビスフェノールA型エポキシ樹脂に比べ粘度が低いため、低粘度エポキシ樹脂が好適な分野においては重要な材料となっているが、未だその粘度は満足のいくものではなく、さらに低粘度のエポキシ樹脂が望まれている。
別のアプローチとして、構造をパラ配向に制御した4,4’−ビス(ヒドロキシフェニル)メタンをエポキシ化した物があるが、同様に粘度は低下するものの結晶性が高すぎるため、性状を液状に保つことが難しく、保存中に結晶化してしまう。
また、4,4’−ビス(ヒドロキシフェニル)メタン骨格にメチル基を導入することにより結晶性を低下させることが試みられているが(特許文献1)、このような場合、得られるエポキシ樹脂の反応性が低下する恐れがある。
このようなことから低粘度でかつ結晶性の低いビスフェノールF型エポキシ樹脂の開発が望まれている。
(1)ビスフェノールF型のエポキシ樹脂であって、5℃の温度条件下1週間以上液状を保ち、かつ、その粘度が25℃において500〜2000mm2/s(ウベローデ粘度計)であることを特徴とするエポキシ樹脂、
(2)式(1)
で表される骨格のエポキシ樹脂の含有量がゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC;UV 254nm)で検出したときの面積%で0面積%を越え、20面積%以下である上記(1)に記載のエポキシ樹脂、
(3)ジグリシジルエーテルの含有量がゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC;UV 254nmで検出)で測定したときの面積%で95面積%以上である上記(1)または(2)に記載のエポキシ樹脂、
(4)下記式
で表される化合物A、B、Cの含有量(高速液体クロマトグラフィー(HPLC;UV 274nmで検出)で測定したときの面積%)および前記式(1)、(2)で表される化合物の含有量(前記GPC条件で測定した面積%)が下記式(α)
5≦{(2)−(1)}×{B/(A+C)}≦15 ・・・ (α)
A ;化合物Aの含有量
B ;化合物Bの含有量
C ;化合物Cの含有量
(1);式(1)で表される化合物の含有量
(2);式(2)で表される化合物の含有量
を満たす上記(1)に記載のエポキシ樹脂、
(5)2官能体純度が95面積%(GPC;UV 254nmで検出)以上であることを特徴とするビスフェノールFをグリシジル化して得られる上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂、
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂及び硬化剤を含有するエポキシ樹脂組成物、および
(7)上記(6)に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物、
に関する。
においてn≧1の化合物の量を5面積%以下、好ましくは2面積%以下、更に好ましくは検出限界以下(通常1面積%以下)にした化合物である(GPC;UV 254nmで検出、以下、特に指定の無い限り面積%はGPCでの測定値を示す。)。通常市販されているビスフェノールFは実質的に前記式(3)の構造式においてn≧1の化合物を5.5〜9.0面積%含有する。本発明においては式(3)の構造式においてn≧1の化合物の含有割合が5面積%以下、好ましくは2面積%以下、更に好ましくは検出限界以下(通常1面積%以下)であるビスフェノールFを使用し、グリシジル化することを特徴とする。式(3)におけるn≧1の化合物の割合を少なくすることで、式(3)におけるn=0の化合物の割合(つまり、2官能体純度)が高まり、結果として該n=0の化合物のグリシジルエーテル体の量が多くなる。
すなわちエポキシ樹脂中の構造が、パラ配向性が強くても、オルト配向性が強くても、その結晶性が強くなり、貯蔵安定性に悪影響を及ぼす。
例えば、本発明のエポキシ樹脂中に含まれる、下記式
で表される化合物A、B及びCの含有量(高速液体クロマトグラフィー(HPLC;UV 274nmで検出)で測定したときの面積%)につき、本発明者らが得た知見は以下のとおりである。
分子骨格内に特に式Bの化合物が多いことが結晶性の低下に寄与する。しかしながらトータルの物性を考慮した場合、例えば硬化物の耐熱性(弾性率の保持)は式Aの化合物が多いことが好ましく、また、例えば耐湿性は、式Cの化合物がある程度含有されていることが好ましい。このようなことからA、B、Cの構造の含有割合のバランスを適度な範囲に保つことが好ましい。
このように、メチレン基の結合位置と低分子量物の含有割合を考慮すると、本発明のエポキシ樹脂は、両者が下記式(α−1)の関係を満たすものが好ましく、式(α−2)の関係を満たすものが特に好ましい。
5≦{(2)−(1)}×{B/(A+C)}≦10・・・ (α−1)
A ;化合物Aの含有量
B ;化合物Bの含有量
C ;化合物Cの含有量
(1);式(1)で表される化合物の含有量
(2);式(2)で表される化合物の含有量
*A〜Cは、高速液体クロマトグラフィー(HPLC;UV 274nmで検出)で測定したときの面積%。
(1)及び(2)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC;UV 254nmで検出)で測定したときの面積%。
例えば結晶性という観点から見た場合、式α−1の値が5を下回ると結晶性が高くなったり、粘度が高くなりすぎたりする場合がある。また、15を越えると粘度が高くなりすぎる場合があり、特に下記式(α’)を満たすものが低粘度であり好ましい。
5≦{(2)−(1)}×{B/(A+C)}≦10 ・・・ (α’)
A ;化合物Aの含有量
B ;化合物Bの含有量
C ;化合物Cの含有量
(1);式(1)で表される化合物の含有量
(2);式(2)で表される化合物の含有量
*A〜C、(1)及び(2)は、高速液体クロマトグラフィー(HPLC;UV 274nmで検出)で測定したときの面積%。
本発明のエポキシ樹脂は、式(4)
に示される骨格のエポキシ樹脂を含有することを特徴とする。このうち本発明のエポキシ樹脂では、n=1の化合物(つまり、式(2)のエポキシ樹脂)が0面積%を超え、20面積%以下含有されているもの、好ましくは2〜20面積%、さらに好ましくは8〜15面積%含有されているものが好ましい。この含有量は、通常ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにて測定可能であるが、高速液体クロマトグラフィーでも測定可能で、通常、前者の測定値に対して、後者の測定値が約0.5〜3ポイント低く測定される。また、本発明のエポキシ樹脂において、前記式(4)の成分中でn=1及び2の化合物が主成分であるものが好ましく、このうちXが水素原子であるジグリシジルエーテルが主成分であるものが特に好ましい。
本発明のエポキシ樹脂では、ジグリシジルエーテル(つまり式(4)において、全てのXが水素原子である化合物と化合物A、B、C)の含有量が80面積%以上、好ましくは90面積%以上、さらに好ましくは95面積%以上含有しているものが好ましい。しかしながら、ジグリシジルエーテルよりも硬化性を向上させる目的には、Xがグリシジル基となるように、グリシジルエーテル体のアルコール性水酸基をグリシジル化することもできる。また、式(4)のn=0の化合物(つまり化合物A、B、C)が高速液体クロマトグラフィーによる測定で、85面積%以上、好ましくは85〜95面積%である本発明のエポキシ樹脂は、粘度の点で特に好ましいものとなる。
本発明のエポキシ樹脂は前述のビスフェノールFを使用し、エピハロヒドリンと反応させることでグリシジル化する。主にエピハロヒドリンとアルカリ金属水酸化物の使用量が前記式(4)の構造の導入率を決めるファクターとなる。すなわち、ビスフェノールFの水酸基に対して、エピハロヒドリンの使用量が少ないと、式(4)において、nが大きい化合物の含有量が高くなり、また、アルカリ金属水酸化物の使用量が多くてもnが大きい化合物の含有量が高くなる。また、エピハロヒドリンの使用量が少なすぎると反応中の粘度上昇や暴走反応、ゲル化の恐れがある。アルカリ金属水酸化物の使用量が多すぎると、硬化物性に悪影響を及ぼす場合がある。
このような範囲の異性体の含有割合とするには、公知の方法が適応でき、例えば一般にビスフェノールFを調製する際の酸触媒の酸性度、温度等を適宜調整すればよい。すなわち、酸性度が高いほどパラ配向性が強くなり、弱いほどオルソ配向性が強くなる。また、さらに温度に関して言えば高温での反応はオルソ配向性が強くなり、低温での反応はパラ配向性が強くなる。
具体的には、例えば、特開2005−75938号公報に記載の方法や第55回ネットワークポリマー講演討論会 講演要旨集p53−56に記載の方法が適応可能である。
また、例えば、三井ファインケミカル株式会社製BisF−ST、本州化学工業株式会社製BPF−D等の市販品も入手可能である。
本発明のエポキシ樹脂組成物は本発明のエポキシ樹脂及び、硬化剤を必須成分として含有する。本発明のエポキシ樹脂組成物において、本発明のエポキシ樹脂は単独でまたは他のエポキシ樹脂と併用して使用することが出来る。併用する場合、本発明のエポキシ樹脂の全エポキシ樹脂中に占める割合は30重量%以上が好ましく、特に40重量%以上が好ましい。ただし、本発明のエポキシ樹脂をエポキシ樹脂組成物の改質剤として使用する場合は、1〜30重量%の割合で添加する。
・軟化点
JIS K−7234に記載された方法で測定した。
・エポキシ当量
JIS K−7236に記載された方法で測定し、単位はg/eqである。
・粘度
JIS K−2283の記載に準じて測定した。
・面積%
(1)ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(測定結果データには面積%(G)で示す)
カラム:Shodex SYSTEM−21カラム KF−804L+KF−803L(×2本) 40℃
連結溶離液:テトラヒドロフラン
FlowRate:1ml/min.
Detection:UV 254nm
検量線:Shodex製標準ポリスチレン使用
(2)高速液体クロマトグラフィー(測定結果データは面積%(H)で示す)
カラム:Intersil ODS−2,5μm,2.1×250mm 40℃
MobilPhaseA:アセトにトリル(AN)
MobilPhaseB:水(W)
TimeProgram:
0−20min.AN/W=50%/50%→90%/10%
20−40min.AN/W=90%/10%
FlowRate:0.2mL/min.
Detection:UV 254nm, TOF MS
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(三井ファインケミカル株式会社製BisF−ST(ビス(ヒドロキシフェニル)メタン含有量 ≧99面積%(GPCにて測定)、異性体イ;28面積%、ロ;51面積%、ハ;19面積%(異性体イ、ロ、ハ共にHPLCにて測定)))100部、エピクロロヒドリン555部、メタノール56部を加え、撹拌下で溶解し、70℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム41部を90分かけて分割添加した後、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で30重量%の水酸化ナトリウム水溶液10部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のエポキシ樹脂(EP1)147部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は167g/eq.、25℃における粘度は1036mm2/s(ウベローデ粘度計 25℃)であった。
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(BisF−ST)100部、エピクロロヒドリン555部、ジメチルスルホキシド140部を加え、撹拌下で溶解し、40℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム41部を90分かけて分割添加した後、40℃で2時間、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で48重量%の水酸化ナトリウム水溶液5部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のエポキシ樹脂(EP2)140部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は164g/eq.、25℃における粘度は1670mm2/s(ウベローデ粘度計 25℃)であった。
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(BisF−ST)100部、t−ブタノール100部、エピクロロヒドリン1部、48重量%水酸化ナトリウム水溶液1部を加え、80℃で1時間撹拌し、部分的に1、3−ジオキシ−2−プロパノール結合を形成させた。さらに40℃まで冷却後、エピクロロヒドリン925部を加え、70℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム40部を90分かけて分割添加した後、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で48重量%の水酸化ナトリウム水溶液5部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のエポキシ樹脂(EP3)137部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は168g/eq.、25℃における粘度は1645mm2/s(ウベローデ粘度計 25℃)であった。
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(ビス(ヒドロキシフェニル)メタン含有量 93面積%(GPCにて測定))100部、エピクロロヒドリン555部、ジメチルスルホキシド140部を加え、撹拌下で溶解し、40℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム41部を90分かけて分割添加した後、40℃で2時間、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で48重量%の水酸化ナトリウム水溶液5部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで目的とするエポキシ樹脂(EP4)142部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は170g/eq.、25℃における粘度は4520mm2/s(ウベローデ粘度計 25℃)であった。
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(4、4’−ビス(ヒドロキシフェニル)メタン 含有量 ≧99面積%(GPCにて測定))100部、エピクロロヒドリン555部、ジメチルスルホキシド140部を加え、撹拌下で溶解し、40℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム41部を90分かけて分割添加した後、40℃で2時間、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で48重量%の水酸化ナトリウム水溶液5部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液を、ロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで比較用のエポキシ樹脂(EP5)140部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は163g/eq.、25℃における粘度は測定中に結晶化してしまったため正確には測定できなかった(ただし500〜1000mm2/s)。
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらビスフェノールF(2、2’−ビス(ヒドロキシフェニル)メタン 含有量 ≧99面積%(GPCにて測定))100部、エピクロロヒドリン555部、ジメチルスルホキシド140部を加え、撹拌下で溶解し、40℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム41部を90分かけて分割添加した後、40℃で2時間、更に70℃で1時間、反応を行った。反応終了後、水300部で水洗を行い、油層からロータリーエバポレーターを用いて140℃で減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン600部を加え溶解し、70℃にまで昇温した。撹拌下で48重量%の水酸化ナトリウム水溶液5部を加え、1時間反応を行った後、洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液をロータリーエバポレーターを用いて180℃で減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで比較用のエポキシ樹脂(EP6)129部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は166g/eq.、25℃における粘度は結晶化のため測定できなかった。融点は70℃(DSC法)であった。
前記、実施例、比較例およびその混合体、さらにビスフェノールF型エポキシ樹脂の分子蒸留体についてその貯蔵安定性(結晶性)について評価を行った結果を下記表2に示す。
エポキシ樹脂として実施例1、比較例2で得られたエポキシ樹脂EP1、EP4、硬化剤としてKAYAHARD A−A(PT)(日本化薬製 ビス(3−エチル−4−アミノフェニル)メタン)を表3に示す割合(重量部)で配合した。
尚、物性値の測定は以下の方法で行った。
・ガラス転移温度(TMA):真空理工(株)製 TM−7000
昇温速度 2℃/min.(値:1の位を四捨五入)
・IZOD衝撃試験:JIS K−6911に準拠。
Claims (7)
- ビスフェノールF型のエポキシ樹脂であって、5℃の温度条件下1週間以上液状を保ち、かつ、その粘度が25℃において500〜2000mm2/s(ウベローデ粘度計)であることを特徴とするエポキシ樹脂。
- ジグリシジルエーテルの含有量がゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC;UV 254nmで検出)で測定したときの面積%で95面積%以上である請求項1または2に記載のエポキシ樹脂。
- 2官能体純度が95面積%(GPC;UV 254nmで検出)以上であるビスフェノールFをグリシジル化して得られる請求項1〜4のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂。
- 請求項1〜5いずれか一項に記載のエポキシ樹脂及び硬化剤を含有するエポキシ樹脂組成物。
- 請求項6に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物。
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