JPWO2011136367A1 - ポリオキシアルキレンポリオール、ポリマー分散ポリオール、および軟質ポリウレタンフォーム、ならびにこれらの製造方法 - Google Patents

ポリオキシアルキレンポリオール、ポリマー分散ポリオール、および軟質ポリウレタンフォーム、ならびにこれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

総不飽和度が低く、オキシエチレン基の含有量が少ないにもかかわらず、末端水酸基の1級化率が高いポリオキシアルキレンポリオールを製造できる方法を提供する。複合金属シアン化物錯体触媒(a1)の存在下で、開始剤にプロピレンオキシド、および/またはプロピレンオキシドとエチレンオキシドとの混合物を開環付加重合させて第1の中間ポリオールを得る第1の重合工程と、第1の重合工程の後、アルカリ金属の水酸化物および/またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、プロピレオキシドを開環付加重合させて第2の中間ポリオールを得る第2の重合工程と、第2の重合工程の後、重合触媒(a2)の存在下で、エチレンオキシドを開環付加重合させてポリオキシアルキレンポリオール(A1)を得る第3の重合工程と、を有する、ポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。

Description

本発明はポリオキシアルキレンポリオールおよびその製造方法、該ポリオキシアルキレンポリオールを用いたポリマー分散ポリオールおよびその製造方法、ならびに該ポリオキシアルキレンポリオールおよび/またはポリマー分散ポリオールを用いた軟質ポリウレタンフォームおよびその製造方法に関する。
軟質ポリウレタンフォーム(以下、単に軟質フォームということもある。)は、ウレタン化触媒、整泡剤および発泡剤の存在下でポリオールとポリイソシアネート化合物とを反応させることによって製造できる。
軟質フォームは、例えばシート部材(シートクッションまたはシートバックレスト)の材料として用いられる。
特に自動車用シート部材にあっては、軟質フォームの物性の低下を抑えつつ、軟質フォームの低密度化または薄肉化による、シート部材の軽量化を達成することが重要な課題である。
例えば、軟質フォームの原料として用いられるポリオキシアルキレンポリオールは、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物からなる触媒(以下、アルカリ触媒ということもある。)を用いて、多価アルコール等の開始剤に、プロピレンオキシド(以下、POということもある。)等のアルキレンオキシドを開環付加重合させて製造される。
また、開始剤にPOを開環付加重合させた後に、エチレンオキシド(以下、EOということもある。)を開環付加重合し、末端にオキシエチレンブロック鎖を形成することによって、末端の水酸基を1級水酸基とすることも広く実施されている。1級水酸基の方が2級水酸基に比べて反応性が高いため、末端の水酸基のうち1級水酸基の割合(1級化率)を高くすることにより、軟質フォームを製造する際のキュアー性を向上できる。
しかしながら、アルカリ触媒を用いてポリオキシアルキレンポリオールを製造する方法にあっては、副生物として不飽和結合を有するモノオールが生成するため、得られるポリオールの総不飽和度が高くなる。総不飽和度が高いポリオールでは、強度または耐久性の低下が生じやすい。また、軟質フォームを低密度化したときに、樹脂強度が不充分となり、硬度が低下しやすい。
そこで、特許文献1および特許文献2では、複合金属シアン化物錯体触媒(以下、DMC触媒ということもある。)を用いることによって、総不飽和度が低いポリオキシアルキレンポリオールを製造する方法が提案されている。
また特許文献1および特許文献2に記載の方法では、DMC触媒を用いて開始剤にPOを開環付加重合させた後、末端の水酸基を1級水酸基化するために、アルカリ触媒を用いてEOを開環付加重合させること(EOキャップ)を行う。
しかしながらこの方法では、以下の理由により、EOの付加量に対して末端水酸基の1級化の効率が悪いため、軟質フォームを製造する際のキュアー性、または得られる軟質フォームの湿熱耐久性が不充分となりやすい。
すなわち、DMC触媒を用いたPOの開環付加重合反応においては、POのメチル基が結合していないC−O結合が開裂するβ開裂がほとんどであるが、該メチル基が結合しているC−O結合が開裂するα開裂も一部生じる。α開裂によれば、側鎖のメチル基がエーテル結合を挟んで隣り合う2個の炭素原子に結合している構造が形成され、これが末端にある場合は1級水酸基が形成される。一方、β開裂によれば、側鎖のメチル基が結合している2個の炭素原子の間にエーテル結合およびメチレン基が介在している構造(ヘッド−トゥ−テイル(Head-to-Tail)結合)が形成され、これが末端にある場合は2級水酸基が形成される。このヘッド−トゥ−テイル結合が形成される割合(以下、H−T結合選択率という)は、通常90〜94%程度である。
したがって、DMC触媒を用いて開始剤にPOを開環付加重合して得られるポリオール、すなわちEOキャップを行う直前の中間ポリオールにおいて、末端の水酸基の90〜94%程度が2級水酸基であり、残りの10〜6%程度が1級水酸基となっている。このように、末端に1級水酸基と2級水酸基が混在している中間ポリオールに対して、アルカリ触媒を用いてEOを開環付加重合すると、1級水酸基の方が反応性が高いために、供給されたEOは2級水酸基よりも1級水酸基へ付加しやすい。1級水酸基にEOが付加すると、その末端は1級水酸基となるため、さらに供給されたEOは、2級水酸基よりも、このEO末端の1級水酸基に付加しやすい。
このように1級水酸基と2級水酸基が混在している中間ポリオールに対しては、EOの付加が均一に起こらず、末端に1級水酸基が多いほど、所定の1級化率を得るのに必要なEO付加量が多くなる。すなわちH−T結合選択率が低いほど、EOの付加量に対して末端水酸基の1級化の効率が悪い。
一方、アルカリ金属触媒を用いて開始剤にPOを開環付加重合して得られるポリオールは、末端のH−T結合選択率がほぼ100%である。このポリオールにEOキャップを行うと、少ないEO付加量で所定の末端水酸基の1級化率を得ることができる。しかしながら、アルカリ金属触媒を用いると、総不飽和度が高くなり、目的とする総不飽和度が低いポリオキシアルキレンポリオールを製造することができない。
そもそも、EOはPOよりも親水性が高いため、EOの付加量が多くなるほど軟質フォームの湿熱耐久性が低下しやすい。一方、EOの付加量を少なくすると末端水酸基の1級化率が低くなり、キュアー性が低下する。
特許文献3および4には、フォスファゼニウム化合物を触媒として用いて、H−T結合選択率が96%以上のポリオールを製造する方法が記載されているが、DMC触媒を用いる場合に比べて、触媒量を多く必要とするため経済的に不利である。
特許文献5には、開始剤とDMC触媒の存在下で、オキセタンおよびプロピレンオキシドを開環共重合して、末端にオキセタン由来の1級水酸基を有するポリオールを製造する方法が記載されている。
特許文献6には、開始剤とDMC触媒の存在下で、エチレンオキシドとトリメチレンオキシド(オキセタン)類の混合物を反応させて、末端水酸基の1級化率が高いポリオールを製造する方法が記載されている。
しかしながら、オキセタンは供給量が限られているため比較的高価であり、経済的に不利である。
特許第2616054号公報 特許第2616055号公報 特開平11−106500号公報 特開2000−230027号公報 特許第4273876号公報 特開平4−300920号公報
特許文献1および特許文献2に記載の方法によれば、DMC触媒を用いることにより総不飽和度が低いポリオキシアルキレンポリオールを製造できるため、これを用いることにより軟質フォームの強度、および耐久性の改善、または低密度化に伴う硬度低下の改善は可能である。しかしながら、上述したように、EOキャップを行う際の、EOの付加量に対する末端水酸基の1級化の効率が悪いため、軟質フォームにおけるキュアー性と湿熱耐久性の両立が難しい。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、総不飽和度が低く、オキシエチレン基の含有量が少ないにもかかわらず、末端水酸基の1級化率が高いポリオキシアルキレンポリオールを製造できるポリオキシアルキレンポリオールの製造方法、および該方法で得られるポリオキシアルキレンポリオールを提供する。
また本発明は、ベースポリオールの総不飽和度が低く、かつオキシエチレン基の含有量が少ないにもかかわらず,末端水酸基の1級化率が高いポリマー分散ポリオールの製造方法、および該方法で得られるポリマー分散ポリオールを提供する。
また本発明は、強度および耐久性が良好な軟質フォームが得られるとともに、キュアー性も良好であり、軟質フォームを低密度化および/または薄肉化しても、物性が良好な軟質フォームが得られる軟質ポリウレタンフォームの製造方法、および該方法で得られる軟質ポリウレタンフォームを提供する。
本発明は、下記の要旨を有するものである。
[1]複合金属シアン化物錯体触媒(a1)の存在下で、開始剤に、プロピレンオキシドまたはプロピレンオキシドとエチレンオキシドとの混合物を開環付加重合させて第1の中間ポリオールを得る第1の重合工程と、
第1の重合工程の後、アルカリ金属の水酸化物および/またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、プロピレオキシドを開環付加重合させて第2の中間ポリオールを得る第2の重合工程と、
第2の重合工程の後、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、エチレンオキシドを開環付加重合させてポリオキシアルキレンポリオール(A1)を得る第3の重合工程と、
を有することを特徴とする、ポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[2]ポリオキシアルキレンポリオール(A1)のオキシエチレン基の含有割合が、5〜25質量%である、上記[1]に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[3]前記第2の重合工程におけるプロピレンオキシドの付加量が、前記開始剤の官能基1モル当たり0.28〜3.00モルである、上記[1]または[2]に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[4]前記第2の重合工程後における、末端の水酸基のうち1級水酸基の割合が4%以上である、上記[1]〜[3]のいずれかに記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[5]ポリオキシアルキレンポリオール(A1)の総不飽和度が0.05meq/g以下である、上記[1]〜[4]のいずれかに記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[6]前記開始剤の平均官能基数が2〜6であり、ポリオキシアルキレンポリオール(A1)の水酸基価が5〜56mgKOH/gとなるように重合させる、上記[1]〜[5]のいずれかに記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
[7]上記[1]〜[6]のいずれかに記載の製造方法で得られるポリオキシアルキレンポリオール(A1)。
[8]上記[7]に記載のポリオキシアルキレンポリオール(A1)をベースポリオールとして用い、ベースポリオール中で、エチレン性不飽和二重結合を有するモノマーを重合させる第4の工程を有することを特徴とするポリマー分散ポリオール(A1’)の製造方法。
[9]上記[8]に記載の製造方法で得られるポリマー分散ポリオール(A1’)。
[10]ポリオール(A)と、ポリイソシアネート化合物(B)とを、触媒(C)、発泡剤(D)、および整泡剤(E)の存在下で反応させる発泡工程を有し、
ポリオール(A)が、請求項7に記載のポリオキシアルキレンポリオール(A1)および/または請求項9に記載のポリマー分散ポリオール(A1’)を、ポリオール(A)の100質量%中に10〜100質量%含むことを特徴とする軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
[11]前記ポリオール(A)の100質量%中に、前記ポリマー分散ポリオール(A1’)以外のポリマー分散ポリオール(A2)を10〜90質量%含む、上記[10]に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
[12]前記発泡剤(D)が水のみからなる、上記[10]または[11]に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
[13]前記発泡工程において、さらに架橋剤(F)を存在させる、上記[10]〜[12]のいずれかに記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
[14]ポリイソシアネート化合物(B)の使用量が、イソシアネートインデックスで、70〜125になる量である、上記[10]〜[13]のいずれかに記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
[15]上記[10]〜[14]のいずれかに記載の製造方法で得られる、コア密度が20〜100kg/cmの軟質ポリウレタンフォーム。
[16]上記[15]に記載の軟質ポリウレタンフォームを用いた自動車用シート部材。
本発明のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法によれば、総不飽和度が低く、オキシエチレン基の含有量が少ないにもかかわらず、末端水酸基の1級化率が高いポリオキシアルキレンポリオールを製造できる。かかるポリオキシアルキレンポリオールを用いて軟質ポリウレタンフォームを製造することにより、強度および耐久性が良好な軟質フォームが得られる。軟質フォーム製造時のキュアー性も良好となる。また軟質フォームの低密度化に伴う硬度低下が抑えられ、軟質フォームを低密度化および/または薄肉化しても、物性が良好な軟質フォームが得られる。
本発明のポリマー分散ポリオールの製造方法によれば、ベースポリオールの総不飽和度が低く、オキシエチレン基の含有量が少ないにもかかわらず、末端水酸基の1級化率が高いポリマー分散ポリオールを製造できる。かかるポリマー分散ポリオールを軟質ポリウレタンフォームの製造に用いることにより、軟質フォームの強度、耐久性、およびキュアー性が良好となり、硬度、通気性、およびその他の物性も向上させることができる。また軟質フォームの低密度化に伴う硬度低下が抑えられ、軟質フォームを低密度化および/または薄肉化しても、物性が良好な軟質フォームが得られる。
本発明の軟質ポリウレタンフォームの製造方法によれば、強度および耐久性が良好な軟質フォームが得られ、軟質フォーム製造時のキュアー性も良好である。また軟質フォームの低密度化に伴う硬度低下が抑えられ、軟質フォームを低密度化および/または薄肉化しても、物性が良好な軟質フォームが得られる。
本発明の軟質ポリウレタンフォームは、自動車用シート部材に好適であり、低密度化および/または薄肉化による軽量化を達成できる。
本明細書における「ポリオールシステム液」とは、ポリイソシアネート化合物と反応させる相手の液であり、ポリオールのほかに発泡剤、整泡剤、触媒、難燃剤等、必要に応じた配合剤を含む液である。
本明細書における「発泡原液組成物」とは、ポリオールシステム液と、ポリイソシアネート化合物と、任意に残りの成分とを混合した液である。
本明細書におけるポリオールの水酸基価はJIS K1557(2007年版)に準拠して測定した値である。
本明細書におけるポリマー分散ポリオールの水酸基価は、モノマーの重合前後の質量変化から、下式(1)を用いて算出した値である。
水酸基価=(ベースポリオールの水酸基価)×(ベースポリオールの仕込み質量)/(得られたポリマー分散ポリオールの質量)・・・(1)
本明細書におけるポリオキシアルキレンポリオールの総不飽和度は、JIS K1557(2007年版)に準拠して測定した値である。
本明細書におけるポリオキシアルキレンポリオールのオキシエチレン基の含有割合は、ポリオール製造時の投入量より算出した値である。
本明細書における数平均分子量(Mn)および質量平均分子量(Mw)は、市販のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定装置を用いて測定されるポリスチレン換算の分子量である。
本明細書における「分子量分布」は、数平均分子量(Mn)に対する質量平均分子量(Mw)の比率(Mw/Mn)である。
本明細書における官能基とは、活性水素を有する基であり、平均官能基数とは、活性水素基含有化合物1分子中における活性水素を有する基の平均数である。
<ポリオキシアルキレンポリオール(A1)>
本発明のポリオキシアルキレンポリオール(A1)(以下、ポリオール(A1)という。)は、DMC触媒(a1)の存在下で、開始剤にPO、および/またはPOとEOとの混合物を開環付加重合させて第1の中間ポリオールを得る第1の重合工程と、前記第1の中間ポリオールに、アルカリ金属の水酸化物および/またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、POを開環付加重合させて第2の中間ポリオールを得る第2の重合工程と、前記第2の中間ポリオールに、重合触媒(a2)の存在下で、EOを開環付加重合させる第3の重合工程を経て得られる、ポリオキシアルキレンポリオールである。
第2の重合工程で用いる重合触媒(a2)と第3の重合工程で用いる重合触媒(a2)とは同じであってもよく、異なっていてもよい。操作が簡単である点で同じであることが好ましい。
第1の重合工程において、開始剤にPOまたはPOとEOとの混合物を開環付加重合させる順序は特に限定されないが、下記の(I)〜(III)のいずれかの方法で行うことが好ましい。(I)開始剤にPOのみを開環付加重合させる方法。(II)開始剤にPOを開環付加重合させ、続いてPOとEOとの混合物を開環付加重合させる方法。(III)開始剤にPOとEOとの混合物を開環付加重合させる方法。
本発明において、第3の重合工程の後は、さらなるアルキレンオキシドの開環付加重合は行わない。したがって、第1の重合工程において上記(I)の方法を用いた場合、得られるポリオール(A1)は、開始剤にオキシプロピレン基からなるブロック鎖(本明細書においてPOブロック鎖ともいう。)が付加し、その末端に1個以上のオキシエチレン基からなるブロック鎖(本明細書において末端オキシエチレン鎖ともいう。)が付加した構造(Ia)を有する。
第1の重合工程において上記(II)の方法を用いた場合、得られるポリオール(A1)は、開始剤にオキシプロピレン基からなるブロック鎖(POブロック鎖)が付加し、次にオキシプロピレン基/オキシエチレン基からなるランダム鎖(本明細書においてPO/EOランダム鎖ともいう。)が付加し、次にオキシプロピレン基からなるブロック鎖(POブロック鎖)が付加し、その末端に1個以上のオキシエチレン基からなるブロック鎖(本明細書において末端オキシエチレン鎖ともいう。)が付加した構造(IIa)を有する。
第1の重合工程において上記(III)の方法を用いた場合、得られるポリオール(A1)は、開始剤にオキシプロピレン基/オキシエチレン基からなるランダム鎖(PO/EOランダム鎖)が付加し、次にオキシプロピレン基からなるブロック鎖(POブロック鎖)が付加し、その末端に1個以上のオキシエチレン基からなるブロック鎖(末端オキシエチレン鎖)が付加した構造(IIIa)を有する。
(開始剤)
ポリオール(A1)の開始剤としてはポリヒドロキシ化合物が用いられる。開始剤の平均官能基数は2〜6が好ましく、2〜4がより好ましい。
開始剤の具体例としては、水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジグリセリン、デキストロース、ビスフェノールA、およびこれらにアルキレンオキシドを付加して得られる低分子量(例えば、分子量700〜3,000)のポリオキシアルキレンポリオール等が挙げられる。好ましくはプロピレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトールおよびこれらにアルキレンオキシドを(好ましくはPOを)開環付加重合して得られる低分子量のポリオキシアルキレンポリオールである。
(複合金属シアン化物錯体触媒(a1))
本発明で用いられるDMC触媒(a1)は、有機配位子を有するDMC触媒であり、公知の製造方法で製造できる。例えば、特開2003−165836号公報、特開2005−15786号公報、特開平7−196778号公報、特表2000−513647号公報等に記載の方法で製造できる。
具体的には、(a)水溶液中でハロゲン化金属塩とアルカリ金属シアノメタレ−トとを反応させて得られる反応生成物に有機配位子を配位させ、次いで、固体成分を分離し、分離した固体成分を有機配位子水溶液でさらに洗浄する方法、(b)有機配位子水溶液中でハロゲン化金属塩とアルカリ金属シアノメタレ−トとを反応させ、得られる反応生成物(固体成分)を分離し、分離した固体成分を有機配位子水溶液でさらに洗浄する方法などにより製造できる。
上記(a)または(b)の方法において、前記反応生成物を洗浄し、ろ過分離して得られるケーキ(固体成分)を、ケーキに対して3質量%以下のポリエーテル化合物を含んだ有機配位子水溶液に再分散し、その後、揮発成分を留去することにより、スラリー状のDMC触媒を調製することもできる。DMC触媒を用いて高活性で分子量分布の狭いポリオールを製造するためには、このスラリー状のDMC触媒を用いることが特に好ましい。
該スラリー状の触媒を調製するために用いる前記ポリエーテル化合物としては、ポリエーテルポリオールまたはポリエーテルモノオールが好ましい。具体的には、アルカリ触媒やカチオン触媒を用い、モノアルコールおよび多価アルコールから選ばれる開始剤にアルキレンオキシドを開環付加重合させて製造した、一分子あたりの平均官能基数が1〜12、好ましくは2〜8であり、質量平均分子量が300〜5,000、好ましくは700〜3000であるポリオキシアルキレンモノオールやポリオキシアルキレンポリオールが好ましい。
DMC触媒としては、亜鉛ヘキサシアノコバルト錯体が好ましい。DMC触媒における有機配位子としては、アルコ−ル、エ−テル、ケトン、エステル、アミン、アミドなどが使用できる。
好ましい有機配位子としては、tert−ブチルアルコール、n−ブチルアルコール、iso−ブチルアルコール、tert−ペンチルアルコール、iso−ペンチルアルコール、N,N−ジメチルアセトアミド、エチレングリコールモノ−tert−ブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル(グライムともいう。)、ジエチレングリコールジメチルエーテル(ジグライムともいう。)、トリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライムともいう。)、iso−プロピルアルコール、およびジオキサンが挙げられる。ジオキサンは、1,4−ジオキサンでも1,3−ジオキサンでもよいが、1,4−ジオキサンが好ましい。有機配位子は1種でもよく2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらのうちでも、有機配位子としてtert−ブチルアルコ−ルを有することが好ましい。したがって、有機配位子の少なくとも一部としてtert−ブチルアルコ−ルを有するDMC触媒を用いることが好ましい。このような有機配位子を有するDMC触媒は、高活性が得られ、総不飽和度の低いポリオールを製造することができる。また、高活性のDMC触媒を用いると、使用量を少量にすることが可能であり、残存触媒量を低減させるうえで好ましい。
(重合触媒(a2))
重合触媒(a2)はアルカリ金属の水酸化物および/またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる。アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化セシウム(CsOH)等が挙げられる。一方、アルカリ金属のアルコラート化合物としては、ナトリウムメトキシド(CHONa)、カリウムメトキシド(CHOK)、ナトリウムエトキシド(CONa)、カリウムエトキシド(COK)等が挙げられる。これらの中でも水酸化ナトリウム、または水酸化カリウムが安価である点で好ましい。
[ポリオール(A1)の製造方法]
(第1の重合工程)
まず、DMC触媒(a1)の存在下で、開始剤にPO、および/またはPOとEOとの混合物を開環付加重合させて第1の中間ポリオールを得る(第1の重合工程)。
上記方法(I)の場合は、開始剤にPOのみを開環付加重合させる。上記方法(II)の場合は、開始剤にPOを開環付加重合させ、続いてPOとEOとの混合物を開環付加重合させる。上記方法(III)の場合は、開始剤にPOとEOとの混合物を開環付加重合させる。
第1の重合工程は、公知の方法で行うことができる。例えば以下の方法で行うことが好ましい。まず、耐圧反応容器内で開始剤とDMC触媒とを混合して所定の反応温度に加熱し、ここにPOの一部を供給して反応させることによってDMC触媒を初期活性化する。この後、上記方法(I)の場合は、残りのPOを供給し、所定の反応温度で撹拌しつつ反応させて第1の中間ポリオールを得る。上記方法(II)の場合は、所定のPOを反応させ、さらに残りのPOとEOの混合物を反応させて第1の中間ポリオールを得る。上記方法(III)の場合は、残りのPOとEOとの混合物を反応させて第1の中間ポリオールを得る。
上記方法(II)または(III)で用いられるPOとEOの混合物において、POとEOの混合比率は、目的のポリオール(A1)の分子量にもよるが、質量比(PO:EO)が70:30〜95:5が好ましい。質量比が80:20〜90:10がEO含有量を低減させる点からより好ましい。
開環付加重合させる際の反応温度は90〜150℃の範囲内が好ましい。より好ましくは、100〜140℃である。
必要に応じて重合溶媒を用いてもよい。重合溶媒としては、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、エチルメチルケトン等が挙げられる。
第1の重合工程において開始剤に開環付加重合させるPOの量、または、POとEOの量は、得ようとするポリオール(A1)の分子量に応じて決めることができる。
第1の重合工程は、バッチ法でも連続法のいずれを用いてもよい。
(第2の重合工程)
第1の重合工程で供給したPO、および/またはPOとEOの混合物の反応が終了した後、反応液を所定の脱水温度まで冷却し、重合触媒(a2)を投入する。なお、重合触媒(a2)を投入する前に、必要に応じて、DMC触媒の除去処理およびDMC触媒の失活処理を行ってもよい。重合触媒(a2)がアルカリ金属の水酸化物からなる場合は、90〜150℃で1〜12時間保持することにより脱水を行い、アルカリ金属のアルコラート化を行う。特に、アルカリ金属の水酸化物水溶液の場合、減圧による脱水を1〜12時間行い、水分量を200ppm(質量ppm)以下にすることにより、第3の重合工程でEOを開環付加重合する際、水分とEOが反応してポリエチレングリコールの生成が抑制されるため、安定して軟質フォームを製造することができる。特に、20℃以下の温度でも1ヶ月以上濁りのないポリオールが得られる点で、水分量を100ppm以下にすることが最も好ましい。重合触媒(a2)がアルカリ金属のアルコラート化合物からなる場合も、アルカリ金属の水酸化物と同様な条件でアルコラート化してもよい。
次いで、所定の反応温度に保ちながらPOを供給し、撹拌しつつ反応させて第2の中間ポリオールを得る。反応温度は90〜150℃の範囲が好ましく、95〜140℃がより好ましい。
第2の重合工程において、第1の中間ポリオールに開環付加重合させるPOの量は、第1の中間ポリオールの末端に存在する1級水酸基の少なくとも一部をPOキャップにより2級水酸基化するのに必要な量以上であり、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.28モル以上が好ましい。
特に、第2の重合工程後に末端に残存する1級水酸基が少ないほど、第3の重合工程におけるEOの付加量に対する1級化の効率は向上する。そのためには、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.28モル以上が好ましく、0.50モル以上がより好ましく、0.80モル以上が特に好ましい。
ポリオール(A1)が、開始剤にPOブロック鎖が付加し、それに末端EO鎖が付加した構造(Ia)を有する場合、第2の重合工程で開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.28モル以上が好ましい。より好ましくは、0.33モル以上である。
特に、第2の重合工程後に末端に残存する1級水酸基が少ないほど、第3の重合工程におけるEOの付加量に対する1級化の効率は向上する。第2の重合工程後の末端に残存する1級水酸基は、4%以下が好ましく、3%以下がより好ましい。そのためには、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.50モル以上がより好ましく、0.80モル以上が特に好ましい。
ポリオール(A1)が、開始剤にPOブロック鎖が付加し、それにPO/EOランダム鎖が付加した構造(IIa)を有する場合、もしくは、開始剤にPO/EOランダム鎖が付加した構造(IIIa)の有する場合、第2の重合工程で開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.30モル以上が好ましい。より好ましくは、0.35モル以上である。
特に、第2の重合工程後に末端に残存する1級水酸基が少ないほど、第3の重合工程におけるEOの付加量に対する1級化の効率は向上する。そのためには、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.50モル以上がより好ましく、0.80モル以上が特に好ましい。
一方、重合触媒(a2)を用いて開環付加重合させるPOの量が多くなるほど、ポリオール(A1)の総不飽和度が高くなる。かかる総不飽和度の上昇による軟質フォームの物性の低下を抑えるうえで、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量は、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり3.00モル以下が好ましく、2.00モル以下がより好ましく、1.50モル以下がさらに好ましい。
第2の重合工程で供給する重合触媒(a2)の量は、第2の重合工程におけるPOの開環付加重合および第3の重合工程におけるEOの開環付加重合に必要な量であればよいが、できるだけ少量であることが好ましい。
(第3の重合工程)
第2の重合工程で供給したPOの反応が終了した後、EOを供給し、所定の反応温度で撹拌しつつ反応させてポリオール(A1)を得る。反応温度は30〜160℃の範囲が好ましく、50〜130℃がより好ましい。
第3の重合工程において、第2の中間ポリオールに開環付加重合させるEOの量は、得ようとするポリオール(A1)における1級化率に応じて決められる。該EOの量は、第2の中間ポリオールの末端に残存する1級水酸基の量によっても変化する。
例えば、ポリオール(A1)の末端水酸基の、得ようとする1級化率が85〜98%であって、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量が、第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり0.28〜1.05モルであるとき、第3の重合工程において開環付加重合させるEOの量は、該開始剤の官能基1モル当たり5.00〜9.5モルが好ましく、5.00〜8.00モルがより好ましい。
前記DMC触媒の除去処理およびDMC触媒の失活処理の方法としては、例えば、合成珪酸塩(マグネシウムシリケート、アルミニウムシリケートなど)、イオン交換樹脂、および活性白土などから選択される吸着剤を用いた吸着法が挙げられる。また、アミン、水酸化アルカリ金属、リン酸、乳酸、コハク酸、アジピン酸、酢酸などの有機酸およびその塩、または硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸による中和法が挙げられる。中和法と吸着法を併用する方法等も用いることができる。なお、DMC触媒の除去処理は、第2の重合工程で得られた第2の中間ポリオール、または第3の重合工程で得られたポリオール(A1)に対して行ってもよい。
また得られたポリオール(A1)には、長期間の貯蔵時における劣化を防止するために、必要に応じて安定化剤を添加してもよい。安定化剤としてはBHT(ジブチルヒドロキシトルエン)等のヒンダードフェノール系酸化防止剤、ヒンダードアミン系酸化防止剤等が挙げられる。
ポリオール(A1)の平均官能基数は、開始剤の平均官能基数と等しい。ポリオール(A1)の平均官能基数は2〜6が好ましく、2〜4がより好ましく、2.5〜4がさらに好ましい。平均官能基数が上記範囲の下限値以上であると、得られる軟質フォームの耐久性、耐繰り返し圧縮、機械強度、成形性などが良好となる。上記範囲の上限値以下であると、軟質フォームが硬くなりすぎず、伸び等の軟質フォーム物性が良好となりやすい。
ポリオール(A1)の水酸基価は、5〜56mgKOH/gが好ましく、10〜56mgKOH/gがより好ましく、12〜50mgKOH/gがさらに好ましく、14〜45mgKOH/gが特に好ましい。水酸基価が上記範囲の下限値以上であると、ポリオールの粘度が低くなるため、軟質フォームの成形時の流動性が良好となる。上記範囲の上限値以下であると、軟質フォームの独立気泡率が下がり、成形性が良好となる。
ポリオール(A1)の水酸基価は、開始剤の平均官能基数と、第1〜第3の重合工程で重合させるPOおよびEOの合計量によって決まる。本発明では、主に第1の重合工程で重合させるPOおよびEOの合計量で調整することが好ましい。
ポリオール(A1)の総不飽和度は、0.05meq/g以下が好ましく、0.04meq/g以下がより好ましく、0.03meq/g以下がさらに好ましい。総不飽和度が上記範囲の上限値以下であると、低密度でありながら硬度および反発弾性率が良好な軟質フォームが得られる。
ポリオール(A1)の総不飽和度は、第2の重合工程において開環付加重合させるPOの量によって制御できる。該POの量が少ないほどポリオール(A1)の総不飽和度は小さくなる。該POの量が第1の重合工程で用いた開始剤の官能基1モル当たり3.00モル以下であると、総不飽和度が0.05meq/g以下であるポリオール(A1)が得られる。
ポリオール(A1)の末端水酸基の1級化率は80モル%以上が好ましく、82モル%以上がより好ましい。1級化率が80モル%以上、すなわち、末端水酸基のうち2級水酸基が20モル%以下であると、軟質フォーム製造時のキュアー性が良好となり、生産性が向上する。該末端水酸基の1級化率は100モル%でもよいが、独立気泡率が高くなり過ぎない点で、98モル%以下が好ましく、95モル%以下がより好ましく、82〜90モル%が特に好ましい。なお、末端水酸基の1級化率は、末端水酸基全ての1級化率の平均値である。
ポリオール(A1)の末端水酸基の1級化率は、第2の重合工程で得られる第2の中間ポリオールにおける1級化率の影響も受けるが、主に第3の重合工程において開環付加重合させるEOの量によって制御できる。該EOの量が多いほどポリオール(A1)の末端水酸基の1級化率は高くなる。
ポリオール(A1)のオキシエチレン基の含有割合は5〜25質量%が好ましい。5質量%以上であると、ポリオール(A1)の末端水酸基の1級化率の増大による、キュアー性の向上効果が得られる。25質量%以下であると良好な湿熱耐久性が得られる。
ポリオール(A1)が、開始剤にPOブロック鎖が付加し、それに末端オキシエチレン鎖が付加した構造(Ia)を有する場合、該オキシエチレン基の含有割合は好ましくは5〜20質量%であり、より好ましくは8〜17質量%である。
ポリオール(A1)が、開始剤にPOブロック鎖が付加し、それにPO/EOランダム鎖が付加し、それに末端オキシエチレン鎖が付加した構造(IIa)を有する場合、該オキシエチレン基の含有割合は好ましくは5〜23質量%であり、より好ましくは7〜17質量%である。
ポリオール(A1)が、開始剤にPO/EOランダム鎖が付加し、それに末端オキシエチレン鎖が付加した構造(IIIa)を有する場合、該オキシエチレン基の含有割合は好ましくは5〜25質量%であり、より好ましくは7〜20質量%である。
<ポリマー分散ポリオール(A1’)>
ポリマー分散ポリオール(A1’)は、ポリオール(A1)をベースポリオールとするポリマー分散ポリオールである。
ポリマー分散ポリオールとは、ベースポリオール中にポリマー微粒子が分散しているもので、これを用いることにより、軟質フォームの硬度、通気性、およびその他の物性を向上させることができる。
ポリマー分散ポリオール(A1’)は、ベースポリオールであるポリオール(A1)中でモノマーを重合させてポリマー微粒子を形成することによって得られる。
すなわち、ポリマー分散ポリオール(A1’)は、上記第1の重合工程と、上記第2の重合工程と、上記第3の重合工程と、該第3の重合工程を経て得られるポリオール(A1)をベースポリオールとして用い、該ベースポリオール中で、エチレン性不飽和二重結合を有するモノマーを重合させてポリマー微粒子を形成する工程(第4の工程)を経て製造される。
ポリマー微粒子の形成に用いられる、エチレン性不飽和二重結合を有するモノマーは公知のものを使用できる。
該モノマーの具体例としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、2,4−ジシアノブテン−1等のシアノ基含有モノマー;スチレン、α−メチルスチレン、ハロゲン化スチレン等のスチレン系モノマー;アクリル酸、メタクリル酸またはそれらのアルキルエステルやアクリルアミド、メタクリルアミド等のアクリル系モノマー;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル系モノマー;イソプレン、ブタジエン、その他のジエン系モノマー;マレイン酸ジエステル、イタコン酸ジエステル等の不飽和脂肪酸エステル類;塩化ビニル、臭化ビニル、フッ化ビニル等のハロゲン化ビニル;塩化ビニリデン、臭化ビニリデン、フッ化ビニリデン等のハロゲン化ビニリデン;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル等のビニルエーテル系モノマー;およびこれら以外のオレフィン、ハロゲン化オレフィンなどが挙げられる。これらは2種以上併用してもよい。
好ましくはアクリロニトリルと他のモノマーとの組み合わせであり、他のモノマーとして好ましいのはスチレン、アクリル酸アルキルエステル、メタクリル酸アルキルエステルおよび酢酸ビニルである。これら他のモノマーは2種以上併用してもよい。
ポリマー分散ポリオール(A1’)100質量%に含まれるポリマー微粒子の割合は、5〜60質量%が好ましく、10〜50質量%がより好ましい。
<軟質ポリウレタンフォームの製造方法>
本発明の軟質ポリウレタンフォームの製造方法は、ポリオール(A)、ポリイソシアネート化合物(B)、触媒(C)、発泡剤(D)、整泡剤(E)および必要に応じて配合される他の成分を反応させる発泡工程を有する。
<ポリオール(A)>
ポリオール(A)は、本発明のポリオール(A1)および/または本発明のポリマー分散ポリオール(A1’)を含む。
ポリオール(A)は、本発明の効果を損なわない範囲で、ポリオール(A1)およびポリマー分散ポリオール(A1’)のいずれにも該当しない、その他のポリオールを含んでもよい。
[その他のポリオール]
その他のポリオールとしては、例えば、ポリオキシアルキレンポリオール(A1)に含まれない他のポリオキシアルキレンポリオール、ポリマー分散ポリオール(A1’)に含まれない他のポリマー分散ポリオール(A2)、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、天然油脂由来ポリオール等が挙げられる。これらは公知のものを用いることができる。その他のポリオールは1種または2種以上を用いてもよい。
他のポリマー分散ポリオール(A2)としては、後述のポリマー分散ポリオール(A2’)が好ましい。
天然油脂由来ポリオールとしては、後述の天然油脂由来ポリオール(A3)が好ましい。
ポリオール(A1)に含まれない他のポリオキシアルキレンポリオール、ポリマー分散ポリオール(A1’)に含まれない他のポリマー分散ポリオール(A2)、ポリエステルポリオール、またはポリカーボネートポリオールは、平均官能基数が2〜8、好ましくは2〜6、水酸基価が10〜160mgKOH/g、好ましくは20〜140mgKOH/g、総不飽和度が0.1meq/g以下、好ましくは0.08meq/g以下、末端水酸基の1級化率が50%以上、好ましくは70%以上であるものが好ましい。
平均官能基数が2以上であると軟質フォームの耐久性が良好になり、8以下であると製造される軟質フォームの機械物性が良好になる。また水酸基価が10mgKOH/g以上であると粘度が低くなり作業性が良好になり、160mgKOH/g以下であると製造される軟質フォームの機械物性が良好になる。総不飽和度および末端水酸基の1級化率が上記の範囲であると、ポリオール(A1)を用いることによる効果を更に向上させることができる。
(他のポリマー分散ポリオール(A2))
ポリマー分散ポリオール(A1’)以外のポリマー分散ポリオール(A2)のなかでも、ベースポリオールが、ポリオール(A1)に含まれない他のポリオキシアルキレンポリオールであって、平均官能基数が2〜8であり、かつ水酸基価が5〜160mgKOH/gであるポリオキシアルキレンポリオールである、ポリマー分散ポリオール(A2’)が好ましい。該ポリマー分散ポリオール(A2’)のベースポリオールの総不飽和度は0.1meq/g以下、末端水酸基の1級化率は50モル%以上であることがより好ましい。該ベースポリオールがオキシエチレン基を含むことが好ましい。
ポリマー分散ポリオール(A2’)のベースポリオールとしては、平均官能基数が2〜6、水酸基価が5〜160mgKOH/g、総不飽和度が0.05meq/g以下、末端水酸基の1級化率が50モル%以上であるポリオキシアルキレンポリオールがより好ましい。該ポリオキシアルキレンポリオール中に含まれる末端オキシエチレン鎖の量(以下、末端EO量ということもある。)が、該ポリオキシアルキレンポリオール全体に対して5〜30質量%であることがより好ましい。
(天然油脂由来ポリオール(A3))
天然油脂由来ポリオール(A3)は、(i)水酸基を有していない天然油脂に、化学反応により水酸基を付与した高分子量体、または(ii)水酸基を有する天然油脂および/またはその誘導体である。
(i)の天然油脂由来ポリオール(A3)は、天然油脂に空気または酸素を吹き込むことにより、不飽和二重結合間に酸化架橋を生じさせると同時に、水酸基を付与したもの、または天然油脂の不飽和二重結合に酸化剤を作用させてエポキシ化した後、活性水素化合物の存在下で開環させて水酸基を付与したものであることが好ましい。
また、上記方法で水酸基を付与した天然油脂由来ポリオールに重合触媒を用いてアルキレンオキシドを開環付加重合したものを用いてもよい。
水酸基を有していない天然油脂としては、ヒマシ油および精製したフィトステロールを除く天然油脂が挙げられる。なお、フィストステロールは、植物由来ステロールであり、大豆油、菜種油等の植物油に微量含まれているため、不可避の混入は許されるものとする。
水酸基を有していない天然油脂としては、不飽和二重結合を有する脂肪酸のグリセリン酸エステルを含む天然油脂が好ましく、特に安価である点から大豆油が好ましい。すなわち、(i)の天然油脂由来ポリオール(A3)として大豆油由来ポリオールが好ましい。
(ii)の天然油脂由来ポリオール(A3)は、水酸基を有する天然油脂および/またはその誘導体である。水酸基を有する天然油脂としては、例えばヒマシ油が挙げられる。
水酸基を有する天然油脂由来の誘導体としては、例えば、以下の(1)〜(4)が挙げられる。
(1)水酸基を有する天然油脂の二重結合を水素添加したものであり、例えば水添ヒマシ油が挙げられる。
(2)水酸基を有する天然油脂および/またはその水素添加物と多価アルコール、多価アルコール−アルキレンオキシドとのエステル交換化合物である。
(3)水酸基を有する天然油脂および/またはその水素添加物を構成する脂肪酸の縮合物と多価アルコール、多価アルコール−アルキレンオキシド付加物を縮合させた化合物である。
(4)水酸基を有する天然油脂および/または上記(1)〜(3)の誘導体のアルキレンオキシド付加物等である。
多価アルコールとしては、エチレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、グリセリン、ソルビトール、シュークロース、ペンタエルシリトール、N−アルキルジエタノール等が挙げられる。
多価アルコール−アルキレンオキシド付加物としては、ビスフェノールA−アルキレンオキシド付加物、グリセリン−アルキレンオキシド付加物、トリメチロールプロパン−アルキレンオキシド付加物、ペンタエリスリトール−アルキレンオキシド付加物、ソルビトール−アルキレンオキシド付加物、シュークロース−アルキレンオキシド付加物、脂肪族アミン−アルキレンオキシド付加物、脂環式アミン−アルキレンオキシド付加物、複素環ポリアミン−アルキレンオキシド付加物、芳香族アミン−アルキレンオキシド付加物等が挙げられる。
上記天然油脂由来ポリオールのアルキレンオキシド付加物を製造する際に用いる重合触媒としては、一般に用いられているものを使用することができる。例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化セシウム(CsOH)等のアルカリ金属の水酸化物、アルカリ金属等のアルコラート化合物、複合金属シアン化物錯体、フォスファゼニウム化合物、三フッ化ホウ素等のカチオン重合触媒等が挙げられる。
天然油脂由来ポリオール(A3)の水酸基価は、20〜250mgKOH/gであることが好ましく、30〜250mgKOH/gがより好ましい。水酸基を有さない天然油脂である場合は、化学反応により水酸基を付与することによって、水酸基価を20〜250mgKOH/gとすることができる。
本発明において、ポリオール(A)は、ポリオール(A)の100質量%中、ポリオール(A1)および/またはポリマー分散ポリオール(A1’)を、合計で、10質量%以上含む。20質量%以上含むことが好ましく、35質量%以上がより好ましい。50質量%以上がさらに好ましく、60質量%以上であれば特に好ましい。
ポリオール(A)の100質量%がポリオール(A1)および/またはポリマー分散ポリオール(A1’)でもよい。軟質フォームの硬度および通気性の点からは、ポリオール(A)がポリマー分散ポリオールを含むことが好ましく、ポリオール(A)の100質量%中、ポリオール(A1)は10〜95質量%、好ましくは20〜70質量%と、ポリマー分散ポリオール(A1’)および/またはポリマー分散ポリオール(A2)は10〜90質量%、好ましくは30〜70質量%を含むことが好ましい。
軟質フォームの物性のバランスの点からは、ポリオール(A)の100質量%中、ポリオール(A1)およびポリマー分散ポリオール(A1’)のいずれにも該当しない、その他のポリオール(ポリマー分散ポリオール(A2)を含む)を10〜90質量%含むことが好ましく、20〜70質量%含むことがより好ましい。またポリオール(A)が、ポリマー分散ポリオール(A1’)以外のポリマー分散ポリオール(A2)を、ポリオール(A)の100質量%中、10〜90質量%含むことが好ましく、20〜70質量%含むことがより好ましい。
<他の高分子量活性水素化合物>
ポリイソシアネート化合物(B)と反応させる化合物として、ポリオール(A)と、他の高分子量活性水素化合物とを併用してもよい。
他の高分子量活性水素化合物としては、第1級アミノ基または第2級アミノ基を2以上有する、尿素、メラミンもしくはその誘導体や高分子量ポリアミン;第1級アミノ基または第2級アミノ基を1以上、かつ水酸基を1以上有する高分子量化合物等が挙げられる。
前記高分子量ポリアミンまたは高分子量化合物としては、ポリオキシアルキレンポリオールの水酸基の一部ないし全部をアミノ基に変換した化合物;ポリオキシアルキレンポリオールと過剰当量のポリイソシアネート化合物とを反応させて得られる末端にイソシアネート基を有するプレポリマーのイソシアネート基を加水分解してアミノ基に変換した化合物が挙げられる。
他の高分子量活性水素化合物の、官能基当たりの分子量は400以上が好ましく、800以上がより好ましい。官能基当たりの分子量は、5,000以下が好ましい。
他の高分子量活性水素化合物の平均官能基数は、2〜8が好ましく、2〜6がより好ましい。
他の高分子量活性水素化合物の割合は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計(100質量%)のうち、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましい。他の高分子量活性水素化合物の割合が20質量%以下であれば、ポリイソシアネート化合物(B)との反応性が大きくなりすぎず、軟質フォームの成形性等が良好となる。
<ポリイソシアネート化合物(B)>
ポリイソシアネート化合物(B)としては、イソシアネート基を2以上有する芳香族系ポリイソシアネート化合物、または、その2種類以上の混合物、およびそれらを変性して得られる変性ポリイソシアネート等が挙げられる。具体的には、トリレンジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート(通称ポリメリックMDI)およびこれらの変性体からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。変性体としては、プレポリマー型変性体、イソシアヌレート変性体、ウレア変性体、カルボジイミド変性体等が挙げられる。
MDIおよびポリメリックMDIの合計量は、ポリイソシアネート化合物(B)(100質量%)のうち、0質量%超100質量%以下が好ましく、5〜80質量%がより好ましく、10〜60質量%が特に好ましい。MDIおよびポリメリックMDIの合計量が80質量%以下であれば、耐久性等の軟質フォーム物性、軟質フォームの感触等が良好となる。また、変性体を使用する場合は、100質量%が好ましく、TDIを含有していてもよい。具体的には、変性体とTDIとの混合比率は、100:0〜90:10質量比が好ましく、80:20〜50:50質量比がより好ましい。
ポリイソシアネート化合物(B)の使用量は、軟質ポリウレタンフォームの物理特性および成形性の観点からイソシアネートインデックスで70〜125となる量が好ましく、80〜120が特に好ましい。イソシアネートインデックスが70以上であると、独立気泡率が適度であるため、脱型時に割れが生じにくく、イソシアネートインデックスが125以下であると、十分なキュアが得られる。
イソシアネートインデックスは、ポリオール(A)、他の高分子量活性水素化合物、架橋剤(F)、および水等のすべての活性水素の合計に対するイソシアネート基の数の100倍で表した数値である。
<触媒(C)>
触媒(C)は、ウレタン化反応を促進する触媒である。
触媒(C)としては、アミン化合物、有機金属化合物、反応型アミン化合物、カルボン酸金属塩等が挙げられる。触媒(C)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせてもよい。
アミン化合物としては、トリエチレンジアミン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテルのジプロピレングリコール溶液、モルホリン類等の脂肪族アミン類が挙げられる。
反応型アミン化合物は、アミン化合物の構造の一部をイソシアネート基と反応するように、水酸基化、または、アミノ化した化合物である。
反応型アミン化合物としては、ジメチルエタノールアミン、トリメチルアミノエチルエタノールアミン、ジメチルアミノエトキシエトキシエタノール等が挙げられる。
触媒(C)としてアミン化合物および反応型アミン化合物を用いる場合、その使用量は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計100質量部に対して、2.0質量部以下が好ましく、0.05〜1.5質量部がより好ましい。
有機金属化合物としては、有機スズ化合物、有機ビスマス化合物、有機鉛化合物、有機亜鉛化合物、有機チタン化合物等が挙げられる。具体例としては、ジ−n−ブチルスズオキシド、ジ−n−ブチルスズジラウレート、ジ−n−ブチルスズ、ジ−n−ブチルスズジアセテート、ジ−n−オクチルスズオキシド、ジ−n−オクチルスズジラウレート、モノブチルスズトリクロリド、ジ−n−ブチルスズジアルキルメルカプタン、ジ−n−オクチルスズジアルキルメルカプタン等が挙げられる。
有機金属化合物を用いる場合、その使用量は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計100質量部に対して、2.0質量部以下が好ましく、0.005〜1.5質量部がより好ましい。
<発泡剤(D)>
発泡剤(D)としては、水および不活性ガスからなる群から選ばれた少なくとも1種が好ましい。取り扱いの簡便性と環境への負荷軽減の点から水のみが好ましい。不活性ガスとしては、空気、窒素ガス、液化炭酸ガス等が挙げられる。発泡剤(D)の量は、発泡倍率等の要求に応じて適宜調整すればよい。
発泡剤として水のみを使用する場合、水の量は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計100質量部に対して、10質量部以下が好ましく、0.1〜8質量部がより好ましい。
<整泡剤(E)>
整泡剤(E)は、良好な気泡を形成するための成分である。整泡剤としては、ポリメチルシリコーンオイル、シリコーン系整泡剤、フッ素系整泡剤等が挙げられる。整泡剤の量は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計100質量部に対して、0.001〜10質量部が好ましく、0.05〜5質量部がより好ましい。
<架橋剤(F)>
本発明においては、上記の成分以外に、必要に応じて架橋剤(F)を用いてもよい。架橋剤(F)を用いることにより、任意に軟質フォームの硬度を高くすることができる。
架橋剤(F)としては、平均官能基数が2〜8、好ましくは3〜6、水酸基価が200〜2,000mgKOH/g、好ましくは300〜1000mgKOH/gである化合物が好ましい。架橋剤(F)としては、水酸基、第1級アミノ基および第2級アミノ基、から選ばれる官能基を2個以上有する化合物が挙げられる。架橋剤(F)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
水酸基を有する架橋剤(F)としては、2〜8個の水酸基を有する化合物が好ましく、多価アルコール、多価アルコールにアルキレンオキシドを付加して得られる低分子量ポリオキシアルキレンポリオール、3級アミノ基を有するポリオール等が挙げられる。
水酸基を有する架橋剤(F)の具体例としては、エチレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、グリセリン、ソルビトール、シュークロース、ペンタエルシリトール、N−アルキルジエタノール、ビスフェノールA−アルキレンオキシド付加物、グリセリン−アルキレンオキシド付加物、トリメチロールプロパン−アルキレンオキシド付加物、ペンタエリスリトール−アルキレンオキシド付加物、ソルビトール−アルキレンオキシド付加物、シュークロース−アルキレンオキシド付加物、脂肪族アミン−アルキレンオキシド付加物、脂環式アミン−アルキレンオキシド付加物、複素環ポリアミン−アルキレンオキシド付加物、芳香族アミン−アルキレンオキシド付加物、天然物由来のポリオール等が挙げられる。
複素環ポリアミン−アルキレンオキシド付加物は、ピペラジン、短鎖アルキル置換ピペラジン(2−メチルピペラジン、2−エチルピペラジン、2−ブチルピペラジン、2−ヘキシルピペラジン、2,5−、2,6−、2,3−または2,2−ジメチルピペラジン、2,3,5,6−または2,2,5,5−テトラメチルピペラジン等。)、アミノアルキル置換ピペラジン(1−(2−アミノエチル)ピペラジン等。)等にアルキレンオキシドを開環付加重合させて得られる。
第1級アミノ基または第2級アミノ基を有する架橋剤(F)(アミン系架橋剤)としては、芳香族ポリアミン、脂肪族ポリアミン、脂環式ポリアミン等が挙げられる。
芳香族ポリアミンとしては、芳香族ジアミンが好ましい。芳香族ジアミンとしては、アミノ基が結合している芳香核にアルキル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、および電子吸引性基からなる群から選ばれた1個以上の置換基を有する芳香族ジアミンが好ましく、ジアミノベンゼン誘導体が特に好ましい。
電子吸引性基を除く前記置換基は、アミノ基が結合した芳香核に2〜4個結合していることが好ましく、アミノ基の結合部位に対してオルト位の1個以上に結合していることがより好ましく、すべてに結合していることが特に好ましい。
電子吸引性基は、アミノ基が結合している芳香核に1または2個結合していることが好ましい。電子吸引性基と他の置換基が1つの芳香核に結合していてもよい。
アルキル基、アルコキシ基、およびアルキルチオ基の炭素数は、4以下が好ましい。
シクロアルキル基としては、シクロヘキシル基が好ましい。
電子吸引性基としては、ハロゲン原子、トリハロメチル基、ニトロ基、シアノ基、アルコキシカルボニル基などが好ましく、塩素原子、トリフルオロメチル基、またはニトロ基が特に好ましい。
脂肪族ポリアミンとしては、炭素数6以下のジアミノアルカン、ポリアルキレンポリアミン、低分子量ポリオキシアルキレンポリオールの水酸基の一部ないし全部をアミノ基に変換して得られるポリアミン、アミノアルキル基を2個以上有する芳香族化合物等が挙げられる。
脂環式ポリアミンとしては、アミノ基および/またはアミノアルキル基を2個以上有するシクロアルカンが挙げられる。
アミン系架橋剤の具体例としては、3,5−ジエチル−2,4(または2,6)−ジアミノトルエン(DETDA)、2−クロロ−p−フェニレンジアミン(CPA)、3,5−ジメチルチオ−2,4(または2,6)−ジアミノトルエン、1−トリフルオロメチル−3,5−ジアミノベンゼン、1−トリフルオロメチル−4−クロロ−3,5−ジアミノベンゼン、2,4−トルエンジアミン、2,6−トルエンジアミン、ビス(3,5−ジメチル−4−アミノフェニル)メタン、4,4−ジアミノジフェニルメタン、エチレンジアミン、m−キシレンジアミン、1,4−ジアミノヘキサン、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、イソホロンジアミン等が挙げられ、ジエチルトルエンジアミン[すなわち、3,5−ジエチル−2,4(または2,6)−ジアミノトルエンの1種または2種以上の混合物]、ジメチルチオトルエンジアミン、モノクロロジアミノベンゼン、トリフルオロメチルジアミノベンゼン等のジアミノベンゼン誘導体が好ましい。
架橋剤(F)の量は、ポリオール(A)および他の高分子量活性水素化合物の合計100質量部に対して、0.1〜20質量部が好ましく、0.2〜15質量部がより好ましく、0.3〜10質量部がさらに好ましい。0.1質量部以上であれば軟質フォームに適度な硬度を付与することができ、発泡挙動が安定する。20質量部以下であれば軟質フォームに柔軟性が付与でき、伸び、引裂強さ等の機械物性が良好となる。
<破泡剤>
本発明においては必要に応じて破泡剤を用いてもよい。破泡剤の使用は、軟質フォームの成形性、具体的には独立気泡低減の点から好ましい。破泡剤としては、平均官能基数が2〜8、水酸基価が20〜200mgKOH/g、アルキレンオキシド中のエチレンオキシドの割合が50〜100質量%であるポリオキシアルキレンポリオールが好ましい。必要に応じて、POとEOとがランダム開環付加重合したポリオール、POとEOがランダム開環付加重合した後にEOを開環付加重合したポリオールを破泡剤として使用することもできる。このようなポリオールのEO含有量は、ポリオールの100質量%中、40〜95質量%が好ましく、60〜90質量%がより好ましい。ポリオールの末端水酸基の1級化率は、40%以上が好ましく、45%以上がより好ましい。
<他の配合剤>
その他、任意に用いる配合剤としては、充填剤、安定剤、着色剤、難燃剤等が挙げられる。
<発泡工程>
発泡工程の方法としては、密閉された金型内で発泡原液組成物を発泡成形する方法(モールド法)、開放系で発泡原液組成物を発泡させる方法(スラブ法)が挙げられる。
(モールド法)
モールド法としては、発泡原液組成物を密閉された金型内に直接注入する方法(反応射出成形法)、または発泡原液組成物を開放状態の金型内に注入した後に密閉する方法が好ましい。後者の方法としては、低圧発泡機または高圧発泡機を用いて発泡原液組成物を金型に注入する方法が好ましい。
高圧発泡機としては、2液を混合するタイプが好ましい。好ましい態様は、2液のうち、一方の液はポリイソシアネート化合物(B)であり、他方の液(ポリオールシステム液)はポリイソシアネート化合物(B)以外の全成分の混合物である。場合によっては、触媒(C)または破泡剤(通常、一部の高分子量ポリオールに分散または溶解して用いる。)を別成分とする、3液を混合するタイプであってもよい。
発泡原液組成物の温度は10〜50℃が好ましく、30〜50℃がより好ましい。該温度が10℃以上であれば、発泡原液組成物の粘度が高くなりすぎず、液の混合性が良好となる。該温度が50℃以下であれば、反応性が高くなりすぎず、成形性等が良好となる。
金型温度は、10〜80℃が好ましく、30〜70℃が特に好ましい。
キュアー時間(curing time)は、1〜20分が好ましく、3〜10分がより好ましく、4〜7分が特に好ましい。キュアー時間が上記範囲の下限値以上であれば、キュアーが充分に行われる。キュアー時間が上記範囲の上限値以下であれば、生産性が良好となる。
(スラブ法)
スラブ法としては、ワンショット法、セミプレポリマー法、プレポリマー法等の公知の方法が挙げられる。軟質フォームの製造には、公知の製造装置を用いることができる。
本発明によれば、DMC触媒を用いて総不飽和度が低いポリオキシアルキレンポリオールを製造する方法において、EOキャップを行う際のEO付加量に対する末端水酸基の1級化の効率を向上できる。
すなわち、後述の実施例に示されるように、ポリオキシアルキレンポリオールにおけるオキシエチレン基の含有量を増加させずに1級化率を向上させることができる。かかるポリオキシアルキレンポリオールを用いて軟質フォームを製造すると、湿熱耐久性を低下させずにキュアー性を向上させることができる。キュアー性の向上は湿熱耐久性の向上にも寄与する。
また、ポリオキシアルキレンポリオールにおける1級化率を低下させずに、EO付加量を低減することができる。かかるポリオキシアルキレンポリオールを用いて軟質フォームを製造すると、キュアー性を低下させずに湿熱耐久性を向上させることができる。
また、本発明の方法は、第1の重合工程において、ポリオール(A1)中のPOのほとんどをDMC触媒の存在下で開環付加重合させ、第2の重合工程においてアルカリ触媒の存在下で開環付加重合するPOは少量(開始剤の官能基1モル当たり0.28〜3.00モル)であるため、第2の重合工程を行うことによるポリオールの総不飽和度の上昇が抑えられる。
したがって、本発明によれば、後述の実施例に示されるように、低密度および/または薄肉でありながら、硬度、反発弾性率、および耐久性が良好であり、キュアー性も良好な軟質フォームを製造できる。
上記のような効果が得られる理由は、以下のように考えられる。すなわち、本発明における第1の重合工程は、DMC触媒(a1)の存在下で、開始剤にPO、および/またはPOとEOとの混合物を開環付加重合させる。開始剤にPOを開環付加重合させる、上記方法(I)の場合、ここで得られる第1の中間ポリオールの末端には1級水酸基(例えば約7モル%)と2級水酸基(例えば約93モル%)が混在している。また、POとEOとの混合物を用いる、上記方法(II)または(III)の場合は、そのEOの含有割合にもよるが、第1の中間ポリオールの末端には1級水酸基が10〜15モル%と2級水酸基が85〜90モル%程度混在している。
本発明では第2の重合工程で、該第1の中間ポリオールに、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、POを開環付加重合させて第2の中間ポリオールとする。かかる重合触媒(a2)を用いる場合のH−T結合選択率はほぼ100%であるため、得られる第2の中間ポリオールの末端の水酸基は、ほぼ100%が2級水酸基となる。したがって、次の第3の重合工程では、該第2の中間ポリオールの末端に1級水酸基がほとんど混在しない状態で、これにEOキャップを行うことができるため、第2の中間ポリオールの末端へのEO付加が均一に起こる。これにより、末端に1級水酸基と2級水酸基が混在する状態でEOキャップを行っていた従来の方法に比べて、EO付加量に対する末端水酸基の1級化の効率が向上する。
本発明の軟質ポリウレタンフォームは、特に自動車用シート部材(シートクッション、シートバック)に好適であり、低密度化および/または薄肉化しても、良好な硬度、反発弾性率、および耐久性が得られる。
本発明の軟質ポリウレタンフォームは、例えばコア密度が20〜100kg/mであることが好ましい。より好ましくは、24〜75kg/mである。本発明の軟質ポリウレタンフォームを自動車シートバックレスト用として使用する場合には、コア密度が22〜35kg/mであることが好ましい。より好ましくは、24〜28kg/mである。本発明の軟質ポリウレタンフォームを自動車シートクッション用として使用する場合には、コア密度が30〜75kg/mであることが好ましい。より好ましくは、35〜65kg/mである。
本発明の軟質ポリウレタンフォームの厚みは、10〜150mmが好ましい。例えば、自動車シートバックレスト用の場合には10〜80mmがより好ましい。自動車シートクッション用の場合には30〜130mmがより好ましい。
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。以下において、「%」は特に断りのない限り「質量%」である。ただし、末端水酸基の1級化率の単位としての「%」は「モル%」を意味する。
[調製例1:TBA−DMC触媒の調製]
tert−ブチルアルコール(以下、TBAと記す。)が配位した亜鉛ヘキサシアノコバルテート錯体(DMC触媒)を下記のようにして調製した。
500mLのフラスコに塩化亜鉛の10.2gと水の10gとからなる水溶液を入れた。次いで、塩化亜鉛水溶液を300回転/分で撹拌しながら、カリウムヘキサシアノコバルテート(KCo(CN))の4.2gと水の75gとからなる水溶液を、30分間かけて塩化亜鉛水溶液に滴下した。この間、フラスコ内の混合溶液を40℃に保った。カリウムヘキサシアノコバルテート水溶液の滴下が終了した後、フラスコ内の混合物をさらに30分撹拌した。その後、tert−ブチルアルコールの80g、水の80g、および後述するポリオールPの0.6gからなる混合物を添加し、40℃で30分間、さらに60℃で60分間撹拌した。
ポリオールPは、水酸化カリウム触媒の存在下に、プロピレングリコールにプロピレンオキシドを開環付加重合させ、脱アルカリ精製して得られた、一分子当たりの平均官能基数が2.0、質量平均分子量(Mw)が2,000のポリオキシプロピレンジオールである。
得られた混合物を、直径125mmの円形ろ板と微粒子用の定量ろ紙(ADVANTEC社製、No.5C)とを用いて加圧下(0.25MPa)でろ過し、複合金属シアン化物錯体を含む固体(ケーキ)を得た。
該ケーキをフラスコに移し、TBAの36gと水の84gとからなる混合液を添加して30分撹拌した後、前記と同じ条件で加圧ろ過を行ってケーキを得た。
該ケーキをフラスコに移し、さらにTBAの108gと水の12gとからなる混合液を添加して30分撹拌し、TBA−水混合液に複合金属シアン化物錯体触媒が分散されたスラリーを得た。該スラリーにポリオールPの120gを添加した後、減圧下、80℃で3時間、さらに115℃で3時間、揮発性成分を留去して、スラリー状のDMC触媒(TBA−DMC触媒(以下、「TBA−DMC触媒スラリー」と記すこともある。)を得た。該スラリー中に含まれるDMC触媒(固体触媒成分)の濃度(有効成分濃度)は、5.33質量%であった。
[実施例1:ポリオール(A1−1)の製造]
本例で用いた開始剤は、KOH触媒を用いてグリセリンにPOを開環付加重合し、さらにキョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて精製して製造した、質量平均分子量(Mw)が1,500であり、水酸基価が112mgKOH/gのポリオキシプロピレントリオールである。
(第1の重合工程)
まず、耐圧反応容器内に、開始剤の1,000gと、調製例1で製造したTBA−DMC触媒スラリーを投入して反応液とした。TBA−DMC触媒スラリーの投入量は、反応液中におけるTBA−DMC触媒の金属の濃度が46ppmとなる量とした。
次いで、耐圧反応容器内を窒素置換した後、反応液を撹拌しながら130℃に加熱し、POの120gを供給した。POを耐圧反応容器内に供給すると、耐圧反応容器の内圧が一旦上昇し、その後漸次低下して、POを供給する直前の耐圧反応容器の内圧と同じになったことを確認した。
その後、反応液の撹拌を続けながら、POの4,728gを耐圧反応容器内に供給し、130℃で7時間反応させた。本工程により得られた第1の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は5,980であり、水酸基価は28.1mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は7.90%であった。
(第2の重合工程)
第1の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、反応液を120℃に冷却し、最終製品に対して有効成分濃度0.3%の水酸化カリウムを添加して、120℃で2時間の脱水によるアルコラート化を行った。続いて、反応液を120℃に保ちながら、POの170g(開始剤の官能基1モルに対して1モル)を耐圧反応容器内に供給して2時間反応させた。本工程により得られた第2の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は6,160であり、水酸基価は27.3mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は2.29%であった。
(第3の重合工程)
第2の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、さらにEOの823g(ポリオール全体の12質量%)を耐圧反応容器内に追加供給し、120℃で5時間反応させた。その後、内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて触媒を吸着して、除去作業を行った。
こうして得られたポリオール(A1−1)の平均官能基数は3.0であり、水酸基価は24mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は7,000であり、総不飽和度は0.012meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.04であり、オキシエチレン基含有量は12質量%であり、末端水酸基の1級化率は85.5%であった。
[実施例2〜7]
実施例1において、第2の重合工程におけるPO付加量、および第3の重合工程におけるEO付加量を表1に示すとおりに変更した。また、最終的に得られるポリオールの質量平均分子量(Mw)が、実施例2〜6では7,000となるように、実施例7では10,000となるように、それぞれ第1の重合工程におけるPO付加量を調整して、ポリオキシアルキレンポリオールを製造した。
各重合工程後の末端水酸基の1級化率、得られたポリオールの総不飽和度および水酸基価を表1に示す。
[実施例8:ポリオール(A1−3)の製造]
(第1の重合工程)
耐圧反応容器内に、ポリオール(A1−1)の製造で使用した開始剤の1,000gと、調製例1で製造したTBA−DMC触媒スラリーを投入して反応液とした。TBA−DMC触媒スラリーの投入量は、反応液中におけるTBA−DMC触媒の金属の濃度が46ppmとなる量とした。
次いで、耐圧反応容器内を窒素置換した後、反応液を撹拌しながら130℃に加熱し、POの120gを供給した。POを耐圧反応容器内に供給すると、耐圧反応容器の内圧が一旦上昇し、その後漸次低下して、POを供給する直前の耐圧反応容器の内圧と同じになったことを確認した。
その後、反応液の撹拌を続けながら、POの3,895gと、EOの855gとの混合物(PO/EO=82/18(質量%比))を耐圧反応容器内に供給し、130℃で7時間反応させた。本工程により得られた第1の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は6,011であり、水酸基価は28.0mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は10.01%であった。
(第2の重合工程)
第1の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、反応液を120℃に冷却し、最終製品に対して有効成分濃度0.3%の水酸化カリウムを添加して、120℃で2時間の脱水によるアルコラート化を行った。続いて、反応液を120℃に保ちながら、POの170g(開始剤の官能基1モルに対して1モル)を耐圧反応容器内に供給して2時間反応させた。本工程により得られた第2の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は6,195であり、水酸基価は27.2mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は2.35%であった。
(第3の重合工程)
第2の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、さらにEOの840g(ポリオール全体の12質量%であり、開始剤の官能基1モルに対して6.4モル)を耐圧反応容器内に追加供給し、120℃で5時間反応させた。内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて触媒を中和して、除去作業を行った。
こうして得られたポリオール(A1−3)の平均官能基数は3.0であり、水酸基価は24.0mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は7,000であり、総不飽和度は0.012meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.035であり、全オキシエチレン基含有量は15.5%であり、末端オキシエチレン基含有量は12質量%であり、末端水酸基の1級化率は86.2%であった。
[実施例9:ポリオール(A1−4)の製造]
本例で用いた開始剤は、以下の方法で得られるポリオキシプロピレンポリオールである。すなわち、水に溶解させたペンタエリスリトールにKOH触媒を用いてPOを開環付加重合し、質量平均分子量(Mw)が500であり、水酸基価が450mgKOH/gのポリオキシプロピレンポリオールを得た。このポリオキシプロピレンポリオールにペンタエリスリトールを混合し、POを開環付加重合し、質量平均分子量(Mw)が550であり、水酸基価が410mgKOH/gのポリオキシプロピレンポリオールを得た。さらに、このポリオキシプロピレンポリオールにPOを開環付加重合し、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて精製して、質量平均分子量(Mw)が1,200であり、水酸基価が187mgKOH/gのポリオキシプロピレンポリオールを得た。これを開始剤とし、以下の工程を行った。
(第1の重合工程)
まず、耐圧反応容器内に、開始剤の1,000gと、調製例1で製造したTBA−DMC触媒スラリーを投入して反応液とした。TBA−DMC触媒スラリーの投入量は、反応液中におけるTBA−DMC触媒の金属の濃度が46ppmとなる量とした。
次いで、耐圧反応容器内を窒素置換した後、反応液を撹拌しながら130℃に加熱し、POの120gを供給した。POを耐圧反応容器内に供給すると、耐圧反応容器の内圧が一旦上昇し、その後漸次低下して、POを供給する直前の耐圧反応容器の内圧と同じになったことを確認した。
その後、反応液の撹拌を続けながら、POの10,088gを耐圧反応容器内に供給し、130℃で7時間反応させた。本工程により得られた第1の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は10,808であり、水酸基価は20.8mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は7.31%であった。
(第2の重合工程)
第1の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、反応液を120℃に冷却し、最終製品に対して有効成分濃度0.3%の水酸化カリウムを添加して、120℃で2時間の脱水によるアルコラート化を行った。続いて、反応液を120℃に保ちながら、POの244g(開始剤の官能基1モルに対して1モル)を耐圧反応容器内に供給して2時間反応させた。本工程により得られた第2の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は11,040であり、水酸基価は20.3mgKOH/gであり、末端水酸基の1級化率は2.18%であった。
(第3の重合工程)
第2の重合工程の後で耐圧反応容器の内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、さらにEOの960g(ポリオール全体の8質量%)を耐圧反応容器内に追加供給し、120℃で5時間反応させた。内圧の変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて触媒を吸着して、除去作業を行った。
こうして得られたポリオール(A1−4)の平均官能基数は4.0であり、水酸基価は18.5mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は12,000であり、総不飽和度は0.010meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.04であり、オキシエチレン基含有量は8質量%であり、末端水酸基の1級化率は86.3%であった。
主な製造条件、各重合工程後の末端水酸基の1級化率、得られたポリオールの総不飽和度および水酸基価を表1に示す。
[比較例1:比較のポリオール(1)の製造]
実施例1において、第2の重合工程を行わずにポリオキシアルキレンポリオールを製造した。
すなわち、実施例1の第1の重合工程において、POの供給量を4,728gから4,898gに変更した他は同様にして第1の中間ポリオールを得た。得られた第1の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は6,160であり、水酸基価は27.3mgKOH/gであった。末端水酸基の1級化率は7.6%であった。
次いで、最終製品に対して有効成分濃度0.3%の水酸化カリウムを添加して、120℃で2時間の脱水によるアルコラート化を行った。続いて、反応液を120℃に保ちながら、EOの823g(ポリオール全体の12質量%)を耐圧反応容器内に供給し、120℃で5時間反応させた。耐圧反応容器の内圧変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて触媒を中和して、除去作業を行った。
こうして得られた比較のポリオール(1)の平均官能基数は3.0であり、水酸基価は24mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は7,000であり、総不飽和度は0.008meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.04であり、オキシエチレン基含有量は12質量%であり、末端水酸基の1級化率は82.0%であった。
[比較例2〜4]
比較例1において、第3の重合工程におけるEO付加量を表1に示すとおりに変更するとともに、最終的に得られるポリオキシアルキレンポリオールの質量平均分子量が7,000となるように、第1の重合工程におけるPO付加量を調整して、それぞれポリオキシアルキレンポリオールを製造した。
各重合工程後の末端水酸基の1級化率、得られたポリオールの総不飽和度および水酸基価を表1に示す。
[比較例5:比較のポリオール(2)の製造]
本例では、水酸化カリウム(KOH)触媒の存在下で、開始剤にPOを開環付加重合させた後、EOを開環付加重合させた。
すなわち、実施例1と同じ反応容器に、実施例1と同じ開始剤の1,000g、最終製品に対して有効成分濃度0.3%の水酸化カリウム触媒の20g、およびPOの6,003gを投入し、120℃で10時間撹拌して開環付加重合させた。その後、さらにEOを1,140g(ポリオール全体の14質量%)を投入し、110℃で1.5時間撹拌して開環付加重合させて、ポリオキシアルキレンポリオールを得た。
得られた比較のポリオール(2)の平均官能基数は3であり、水酸基価は24mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は7,000であり、総不飽和度は0.10meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.06であり、オキシエチレン基含有量は14質量%、末端水酸基の1級化率は78.0%であった。
[比較例6:比較のポリオール(3)の製造]
比較例1において、第3の重合工程におけるEO付加量を表1に示すとおりに変更するとともに、最終的に得られるポリオキシアルキレンポリオールの質量平均分子量が10,000となるように、第1の重合工程におけるPO付加量を調整して、ポリオキシアルキレンポリオールを製造した。
すなわち、実施例1の第1の重合工程において、PO供給量を4,728gから7,350gに変更した他は同様にして第1の中間ポリオールを得た。得られた第1の中間ポリオールの質量平均分子量(Mw)は8,520であり、水酸基価は19.8mgKOH/gであった。末端水酸基の1級化率は7.99%であった。
次いで、水酸化カリウムを最終製品に対して有効成分濃度0.3%を添加して、120℃で2時間の脱水によるアルコラート化を行った。続いて、反応液を120℃に保ちながら、EOの1,050g(ポリオール全体の10質量%)を耐圧反応容器内に供給し、120℃で5時間反応させた。耐圧反応容器の内圧変化がなくなり、反応終了したことを確認した後、キョーワド600S(製品名、合成吸着剤、協和化学工業社製)を用いて触媒を中和して、除去作業を行った。
こうして得られた比較のポリオール(3)の平均官能基数は3.0であり、水酸基価は16.6mgKOH/gであり、質量平均分子量(Mw)は10,000であり、総不飽和度は0.007meq/gであり、分子量分布(Mw/Mn)は1.04であり、オキシエチレン基含有量は10質量%であり、末端水酸基の1級化率は86.4%であった。
主な製造条件、各重合工程後の末端水酸基の1級化率、得られたポリオールの総不飽和度および水酸基価を表1に示す。
Figure 2011136367
この表に示されるように、第2の重合工程でPOを付加した実施例1〜7は、第2の重合工程を設けない比較例に比べて、第3の重合工程で付加されるEOの量が同じであっても末端水酸基の1級化率が向上する。また実施例1〜3を比較すると、第2の重合工程におけるPO付加量によって末端水酸基の1級化率は変化し、第2の重合工程でのPO付加量が多いほど該1級化率は高くなっている。
上記以外の原料として、以下のものを使用した。
[ポリマー分散ポリオール]
POP(A1’−1):ポリオール(A1−1)をベースポリオールとして、アクリロニトリルとスチレンを共重合させたポリマー微粒子を含有する、水酸基価は19.2mgKOH/gであり、ポリマー微粒子含有量が20質量%のポリマー分散ポリオール。
POP(A2’−1):ポリエーテルポリオール(平均官能基数が3であり、水酸基価が34mgKOH/gであり、グリセリンを開始剤として、POを開環付加重合させた後にEOを開環付加重合させた、末端オキシエチレン基含有のポリエーテルポリオール)をベースポリオールとして、アクリロニトリルとスチレンを共重合させたポリマー微粒子を含有する、水酸基価が21mgKOH/gであり、ポリマー微粒子含有量38質量%のポリマー分散ポリオール。ベースポリオールの総不飽和度は0.060meq/gであり、末端水酸基の1級化率は85.1%であり、末端EO量は14.5質量%である。
[ポリイソシアネート化合物]
ポリイソシアネート化合物(1):TDI−80(異性体比は2,4−TDIの80質量%および2,6−TDIの20質量%)80質量%とポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート(通称ポリメリックMDI)20質量%の混合物(日本ポリウレタン工業社製、商品名:コロネート1021)。
ポリイソシアネート化合物(2):MDI変性ポリイソシアネート(NCO含量29.1%であり、25℃における粘度79mPa・s)である(日本ポリウレタン工業社製、商品名:コロネート1120)。
[触媒]
アミン系触媒(1):トリエチレンジアミンの33%ジプロピレングリコール(DPG)溶液(東ソー社製、商品名:TEDA L33)。
アミン系触媒(2):ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテルの70%DPG溶液(東ソー社製、商品名:TOYOCAT ET)。
[発泡剤]
水。
[架橋剤]
架橋剤(1):平均官能基数が6であり、水酸基価が445mgKOH/gであり、末端オキシエチレン基が28質量%のポリオキシプロピレンオキシエチレンポリオール。
架橋剤(2):ジエタノールアミン。
架橋剤(3):ペンタエリスリトールを開始剤とし、水酸化カリウムを触媒としてEOを開環付加重合させて得られた、水酸基価562mgKOH/gのポリエーテルポリオール。
[破泡剤]
グリセリンを開始剤とし、EOとPOとを80:20の質量比でランダム開環付加重合して得た、平均官能基数3であり、水酸基価が45.5mgKOH/gのポリエーテルポリオール。
[整泡剤]
シリコーン系整泡剤(1):(東レ・ダウコーニング社製、商品名:SZ−1325)。
シリコーン系整泡剤(2):(東レ・ダウコーニング社製、商品名:SZ−1327)。
[実施例11〜25、および比較例11〜14]
表2および3の配合で軟質フォームを製造した。表2の例は、コア密度を24kg/m程度に低くし、軟質フォームの厚み(金型厚み)を70mmとした例であり、表3の例は、コア密度を45〜59kg/m程度とし、軟質フォームの厚み(金型厚み)を50〜100mmとした例である。
表2および3における配合量の単位は、ポリイソシアネート化合物はイソシアネートインデックスで示し、それ以外は質量部で示す。
まず、ポリオキシアルキレンポリオール、ポリマー分散ポリオール、架橋剤、アミン系触媒、整泡剤、発泡剤(水)、および必要に応じて破泡剤を混合してポリオールシステム液を調製した。該ポリオールシステム液を液温25±1℃に調整した。これとは別に、ポリイソシアネート化合物を液温25±1℃に調整した。
次いで、ポリオールシステム液にポリイソシアネート化合物を加えて、高速ミキサー(3,000回転/分)で5秒間撹拌して発泡原液組成物を得た。
自由発泡試験では、上記で得た発泡原液組成物を、直ちに内寸が縦横300mm、高さ300mmの木製ボックスに注入して自由発泡を行い、下記の方法で評価を行った。結果を表2に示す。
軟質フォーム物性評価試験では、上記で得た発泡原液組成物を、直ちに65℃に加温した金型に注入して密閉し、65℃で6分間キュアーした後、金型から取り出し、軟質フォームを得た。得られた軟質フォームをクラッシングした後、室内(温度23℃、相対湿度50%)に24時間放置した後に物性測定を行った。金型としては、内寸が縦横400mmであり、高さが100mm、70mm、または50mmのアルミニウム製金型を用いた。
ここで、クラッシングとは、軟質フォームを金型から取り出した後、軟質フォーム厚さに対して75%まで連続的に圧縮する工程のことである。
得られた軟質フォームについて、下記の方法で評価を行った。結果を表2および4に示す。
<評価方法>
[自由発泡試験]
ゲルタイム:ポリオールシステム液とポリイソシアネート化合物との混合開始時刻を0秒とし、ゲル化の進行中に、細いガラスまたは金属製の棒を反応中の反応液上部に軽く差した後、素早く引き抜いた時に反応液が糸を引き始めるまでの時間をゲルタイム(秒)として測定した。
ライズタイム:ポリオールシステム液とポリイソシアネート化合物との混合開始時刻を0秒とし、混合液が発泡し始め、軟質フォームの上昇が停止するまでの時間をライズタイム(秒)とした。
セトリング率:発泡工程中、軟質フォームの上昇が最大となった時の、ボックスの底面から軟質フォームの表面までの高さを「最高発泡高さ」とし、最高発泡高さに達した時から2分後の軟質フォームの高さを最終発泡高さとする。それぞれを測定し、以下の式に基づきセトリング率(単位:%)を算出した。この値が小さいほど軟質フォームの安定性が良いことを表す。
セトリング率={(最高発泡高さ−最終発泡高さ)/最高発泡高さ}×100
[軟質フォームの物性評価試験]
得られた軟質ポリウレタンフォームについて、全体密度、コア密度、25%硬さ(25%ILD( Indentation Load Deflection、負荷重たわみ値)硬度)、50%硬さ(50%ILD硬度)、65%硬さ(65%ILD硬度)、コア部の通気性、全体の反発弾性、コア部の反発弾性、引裂強度、引張強度、伸び、ヒステリシスロス、燃焼性試験(第1標線前に火炎が鎮火した場合はN.B.と表記した)、50%圧縮残留歪み、および50%湿熱圧縮残留歪み(湿熱耐久性)を、JIS K6400(1997年版)に準拠して測定した。圧縮残留歪みおよび湿熱圧縮残留歪み(湿熱耐久性)は、値が小さいほど耐久性が良いことを表す。また25%硬度に対する65%硬度の比であるSAG−FACTORを求めた。この値が小さいほど、得られる軟質ポリウレタンフォームを自動車用シートクッションとした時の底付き感が発生しにくい。
コア部の密度、およびコア部の反発弾性に関しては、フォームからスキン部を取り除いて縦横100mm、高さ50mmの寸法にて切り出した中心部のサンプルを用いて評価した。共振周波数、共振伝達率、6Hz伝達率および10Hz伝達率はJASO B8407−82に準拠した方法で、加圧盤は鉄研盤を使用して振幅2a=5mmで測定した。また、314cm円盤における196N加圧した後、5分後の応力緩和率(%)および196Nを一定荷重として60分間加圧した時のクリープ(creep)率(%)を測定した。
キュアー性の評価は、6分間キュアーして金型から取り出したときに、金型内に残留物が無く、取り出した軟質フォームの形状が良好であるものは○(良好)、金型内に残留物は無いが、取り出した軟質フォームにおいて、角に欠けが生じているなど形状が不良であるものは△(一部不可)、金型に残留物があるものは×(不可)とした。
成形性の評価は、セル荒れおよびボイド(void)のいずれもなく、表面成形性が良いものを○(良好)、若干のセル荒れまたはボイドがあるものを△(一部不可)、大きなセル荒れまたはボイドがあるものを×(不可)とした。・独立気泡性の評価は、クラッシング時に割れが生じたり、クラッシング後に変形した軟質フォームを×(不可)、クラッシング後に収縮等の変形がなく良好な外観を有する軟質フォームを○(良好)とした。
Figure 2011136367
Figure 2011136367
Figure 2011136367
表1に示すように、実施例11で用いたポリオール(A1−1)は、第2の重合工程でPOを付加する方法で製造したポリオールであるのに対して、比較例11で用いた比較のポリオール(1)は第2の重合工程を設けない従来の方法で製造したポリオールである。両者はEO付加量が同じであり、総不飽和度もほぼ同じであるが、末端水酸基の1級化率は、実施例11で用いたポリオール(A1−1)の方が高い。
表4の結果に示されるように、実施例12〜16は軟質ポリウレタンフォーム製造時のキュアー性が良好であり、比較例13および14に比べて、引張強度および伸びに優れる。50%圧縮残留歪み、および50%湿熱圧縮残留歪みも向上しており、耐久性に優れる。また、6Hz伝達率、10Hz伝達率、およびヒステリシスロスも良好である。
表2の結果に示されるように、低密度の軟質ポリオールを製造したとき、比較のポリオール(1)を用いた比較例11は樹脂強度が弱く、発泡工程の途中でフォームが崩壊してしまい成形できなかった。
また比較例12は、KOH触媒を用いてPOおよびEOを開環付加重合させて得られた比較のポリオール(2)を用いた例である。実施例11で用いたポリオール(A1−1)は、比較のポリオール(2)に比べて、オキシエチレン基の含有量が少ないのに末端水酸基の1級化率は高く、総不飽和度も低い。実施例11は比較例12に比べて、キュアー性、成形性、および独立気泡性に優れ、軟質フォーム物性では、特に硬度および50%湿熱圧縮残留歪みに優れる。その他の物性も、実施例11は比較例12に比べて良好である。
実施例11のキュアー性が優れるのは、末端水酸基の1級化率が高いために反応性が向上したためと考えられる。また実施例11の、硬度および湿熱耐久性が優れるのは、EO付加量が少ないことと、キュアー性が向上して、より均一なセル構造が形成されたためと考えられる。
また実施例17は、薄肉でありながら、硬度、引張強度、および伸びに優れる軟質フォームが得られた。その他の物性も良好であり、キュアー性も良好であった。実施例18および19は、実施例17よりさらに薄肉であるが、硬度が良好であり、その他の物性も良好な軟質フォームが得られた。キュアー性も良好であった。
実施例20および22は、ポリオール(A1−1)と、ポリオール(A1)に含まれない他のポリエーテルポリオールである比較ポリオール(3)とを組み合わせた例である。硬度、および湿熱耐久性が優れており、良好な振動特性を発現するフォームが得られた。
実施例24は、平均官能基数が4.0であるポリオール(A1−4)を使用した例であり、硬度、引裂強度、および湿熱耐久性が良好であった。
なお、実施例18、19、21、23、および25はフォームの厚みが50mmであるため、コア部の通気性、コア部の反発弾性率、引裂強度、引張強度、伸び、50%圧縮残留歪み、および50%湿熱圧縮残留歪みの測定は行わなかった。
本発明の製造方法により得られる、ポリオキシアルキレンポリオール、およびポリマー分散ポリオールを軟質ポリウレタンフォームの製造に用いることにより、強度、耐久性、およびキュアー性が良好な軟質フォームが得られ、低密度化および/または薄肉化により軽量化が可能な達成自動車用シート部材として好適である。
なお、2010年4月30日に出願された日本特許出願2010−105166号の明細書、特許請求の範囲、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (16)

  1. 複合金属シアン化物錯体触媒(a1)の存在下で、開始剤に、プロピレンオキシドまたはプロピレンオキシドとエチレンオキシドとの混合物を開環付加重合させて第1の中間ポリオールを得る第1の重合工程と、
    第1の重合工程の後、アルカリ金属の水酸化物および/またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、プロピレオキシドを開環付加重合させて第2の中間ポリオールを得る第2の重合工程と、
    第2の重合工程の後、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ金属のアルコラート化合物からなる重合触媒(a2)の存在下で、エチレンオキシドを開環付加重合させてポリオキシアルキレンポリオール(A1)を得る第3の重合工程と、
    を有することを特徴とする、ポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  2. ポリオキシアルキレンポリオール(A1)のオキシエチレン基の含有割合が、5〜25質量%である、請求項1に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  3. 前記第2の重合工程におけるプロピレンオキシドの付加量が、前記開始剤の官能基1モル当たり0.28〜3.00モルである、請求項1または2に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  4. 前記第2の重合工程後における、末端の水酸基のうち1級水酸基の割合が4%以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  5. ポリオキシアルキレンポリオール(A1)の総不飽和度が0.05meq/g以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  6. 前記開始剤の平均官能基数が2〜6であり、ポリオキシアルキレンポリオール(A1)の水酸基価が5〜56mgKOH/gとなるように重合させる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリオキシアルキレンポリオールの製造方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で得られるポリオキシアルキレンポリオール(A1)。
  8. 請求項7に記載のポリオキシアルキレンポリオール(A1)をベースポリオールとして用い、ベースポリオール中で、エチレン性不飽和二重結合を有するモノマーを重合させる第4の工程を有することを特徴とするポリマー分散ポリオール(A1’)の製造方法。
  9. 請求項8に記載の製造方法で得られるポリマー分散ポリオール(A1’)。
  10. ポリオール(A)と、ポリイソシアネート化合物(B)とを、触媒(C)、発泡剤(D)、および整泡剤(E)の存在下で反応させる発泡工程を有し、
    ポリオール(A)が、請求項7に記載のポリオキシアルキレンポリオール(A1)および/または請求項9に記載のポリマー分散ポリオール(A1’)を、ポリオール(A)の100質量%中に10〜100質量%含むことを特徴とする軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
  11. 前記ポリオール(A)の100質量%中に、前記ポリマー分散ポリオール(A1’)以外のポリマー分散ポリオール(A2)を10〜90質量%含む、請求項10に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
  12. 前記発泡剤(D)が水のみからなる、請求項10または11に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
  13. 前記発泡工程において、さらに架橋剤(F)を存在させる、請求項10〜12のいずれか一項に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
  14. ポリイソシアネート化合物(B)の使用量が、イソシアネートインデックスで、70〜125になる量である、請求項10〜13のいずれか一項に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
  15. 請求項10〜14のいずれか一項に記載の製造方法で得られる、コア密度が20〜100kg/cmの軟質ポリウレタンフォーム。
  16. 請求項15に記載の軟質ポリウレタンフォームを用いた自動車用シート部材。
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