JPWO2019198675A1 - ポリロタキンサンを用いたウレタン樹脂、および研磨用パッド - Google Patents

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Abstract

本発明は、分子内に活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)、および分子内にイソ(チオ)シアネート基を2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を反応させて得られる、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)と、軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)と、前記ポリロタキサン(A)以外であって、分子内に活性水素を持つ基を3つ以上有する多官能活性水素含有化合物(C2)とを少なくとも含む重合性組成物を反応させて得られるウレタン樹脂である。本発明によれば、耐摩耗性が高い摺動部材用のウレタン樹脂であり、研磨用パッドとして好適に使用できるウレタン樹脂を提供することができる。

Description

本発明は、新規なウレタン樹脂に関する。具体的には、特定の重合性モノマー成分を重合して得られる新規なウレタン樹脂、および該ウレタン樹脂からなる新規な研磨用パッドに関する。
研磨用部材とは、相手方の部材を研磨剤より平坦化する際に使用される材料である。具体的には、該研磨用部材とは、被研磨部材の表面を平坦化するに際し、スラリー等の研磨剤を該表面に供給しながら、該表面に摺動させながら接触させて使用するものである。例えば、研磨用パッドが含まれる。
このような研磨用部材には、ポリウレタン樹脂が数多く用いられている。一般的に研磨用部材はとしては、コスト低減、安定製造、及び生産性の向上から長期にわたって耐摩耗が良好な耐久性の高い材料が常に望まれる。
研磨用部材は、具体的には、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法におけるパッド材(以下、研磨用パッドとする場合もある)として使用される。CMP法は、優れた表面平坦性を付与する研磨方法であり、特に、液晶ディスプレイ(LCD)、ハードディスク用ガラス基盤、シリコンウェハ、半導体デバイスの製造プロセスで採用されている。
前記CMP法では、通常、研磨加工時に砥粒をアルカリ溶液、又は酸溶液に分散させたスラリー(研磨液)を供給して研磨する方式が一般的に採用されている。すなわち、被研磨物は、スラリー中の砥粒により機械的作用と、アルカリ溶液、又は酸溶液により化学的作用とにより平坦化される。通常、該スラリーを被研磨物の表面に供給し、研磨パッド材を滑らしながら該表面に接触させることにより、該研磨物の表面を平坦化する。
前記CMP法においての研磨パッドの研磨特性としては、被研磨物の平坦性に優れ、研磨レート(研磨速度)が大きいことが要求される。さらには生産性の向上の為、耐摩耗性の向上が望まれている。
このような研磨パッドの材質としては、ポリオール、およびトルエンジイソシアネートのようなポリイソシアネートを反応させて得られるウレタンプレポリマーを含む主剤と、アミン化合物を含む硬化剤とからなるウレタン硬化性組成物から得られる研磨材が知られている(特許文献1参照)。さらに、より耐摩耗性が向上できるものとして、ポリイソシアネート化合物としてp−フェニレンジイソシアネートを使用した研磨材が知られている(特許文献2参照)。
しかしながら、これら方法に記載されている研磨材は、ポリオール化合物がジオール化合物であり、得られるウレタン樹脂においては、架橋構造がないことから、近年の高度な耐摩耗性の要求に応えるためには改善の余地があった。
一方、近年、新規な構造のポリマーとして、ポリロタキサンの開発がすすめられている。このポリロタキサンは、軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有する機能的な材料である。具体的な開発例として、例えば、摩耗部分に使用される、摺動性に優れた部材となるポリロタキサンが挙げられる(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、特許文献3に記載されたポリロタキサンを含む材料は、主に、スポーツ用品、建築材料、又は医療材料に使用することを目的としているためと考えられるが、高度な耐摩耗性を満足するという点では改善の余地があった。
また、その他、ポリロタキサンを使用して、以下のような樹脂が検討されている。例えば、ポリロタキサンと、熱可塑性ポリウレタンとを含む熱可塑性樹脂(特許文献4参照)が知られている。この特許文献4に記載の熱可塑性樹脂は、ポリロタキサンを含むことにより、熱可塑性ポリウレタン樹脂の機械特性を向上しているが、該ポリロタキサンと熱可塑ポリウレタンとは単に混合されているだけであり、高度な耐摩耗性を満足するという点では、やはり改善の余地があった。
これに対して、ポリロタキサンそのものをポリウレタンの分子内に取り込み、該ポリウレタンの機械的特性を改善することも行われている(例えば、特許文献5〜9参照)。
特開2007−77207号公報 特開2015−178558号公報 国際公開第2006−115255号 国際公開第2016−114243号 国際公開第2015−159875号 特開2017−48305号公報 特開2017−75301号公報 国際公開第2015/174187号 国際公開第2017/130998号
特許文献5〜9に記載のポリウレタンは、より効果的にポリウレタンの機械的特性を向上できる。
しかしながら、本発明者等の検討によれば、特許文献5〜9に記載の実施例等に具体的に示されているポリウレタンよりもより一層、高度な耐摩耗性を有するウレタン樹脂の開発が、近年、望まれており、その点で従来技術では改善の余地があることが分かった。加えて、例えば、研磨用パッドのような用途においては、ウェハのような半導体材料を研磨する際には、微細な傷を発生させず、すなわち、耐スクラッチ性がよく、研磨速度が速く、平滑なウェハを安定して製造できるものが望まれている。そのため、耐摩耗性に優れる以外にも、適度な硬度を有し、しかも耐スクラッチ性に優れ、速い研磨速度等で研磨が可能な安定した研磨を行うために低ヒステリシスロスの弾性回復に優れた研磨用パッドが望まれている。
したがって、本発明の目的は、耐摩耗性が高く、弾性回復に優れた、低ヒステリシスロスの摺動部材用となるウレタン樹脂を提供することにある。特に、研磨用パッドとして好適に使用できるウレタン樹脂を提供することにある。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した。そして、ポリロタキサンの特性を生かすために、様々な検討を行った。その結果、特定の構造を有する、特に、環状分子を修飾したポリロタキサン、およびポリイソシアネート化合物を反応させる際に(重合させる際に)、さらに、活性水素を持つ基を分子内に3つ以上有する多官能活性水素含有化合物を反応させることにより得られるウレタン樹脂が、該ポリロタキサンの特性を最大限に生かしながら、優れた効果を発揮することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
(1)分子内に活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)、および分子内にイソ(チオ)シアネート基を2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を反応させて得られる、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)と、
軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)と、
前記ポリロタキサン(A)以外であって、分子内に活性水素を持つ基を3つ以上有する多官能活性水素含有化合物(C2)と
を少なくとも含む重合性組成物を反応させて得られるウレタン樹脂である。
なお、本発明において、上記のポリロタキサン(A)は、複数の環状分子の環内を鎖状の軸分子が貫通しており且つ軸分子の両端に嵩高い基が結合しており、立体障害により環状分子が軸分子から抜けなくなった構造を有している分子の複合体である。ポリロタキサンのような分子の複合体は、超分子(Supramolecule)と呼ばれている。
本発明の重合組成物は、次の態様を好適に採り得る。
(2)前記多官能活性水素含有化合物(C2)が、活性水素を持つ基が水酸基又はチオール基であり、数平均分子量が90〜1,000である化合物を含む(1)のウレタン樹脂。
(3)前記ウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート当量が、300〜5000である前記(1)又は(2)のウレタン樹脂。
(4)前記重合性組成物が、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、及び前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部含む前記(1)〜(3)の何れかのウレタン樹脂。
なお、下記に詳述するが該ポリロタキサン(A)において、イソ(チオ)シアネート基と反応し得る「活性水素を持つ基」、すなわち、側鎖が有する「活性水素を持つ基」の総モル数をns2とする。
(5)前記ウレタンプレポリマー(B2)と、前記ポリロタキサン(A)と、前記多官能活性水素含有化合物(C2)と、さらに 分子内に、水酸基、及びチオール基から選ばれる活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(CH)と
を反応させて得られる(1)〜(4)の何れかに記載のウレタン樹脂。
(6)前記重合性組成物が、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部含む(5)のウレタン樹脂。
(7)前記重合性組成物が、さらに、前記ポリロタキサン(A)および前記多官能活性水素含有化合物(C2)以外であって、分子内に少なくとも1つのアミノ基を有し、活性水素を持つ基の合計数が2つ以上であるアミノ基含有化合物(CA)を含む(1)〜(6)の何れかのウレタン樹脂。
(8)前記重合性組成物が、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、及び前記アミノ基含有化合物(CA)を5〜200質量部含む(7)のウレタン樹脂。
(9)前記重合性組成物が、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部、及び前記アミノ基含有化合物(CA)を3〜200質量部含む(7)のウレタン樹脂。
(10)前記アミノ基含有化合物(CA)が、数平均分子量が60〜1,000である化合物を含む(7)〜(9)の何れかのウレタン樹脂。
(11)前記重合性組成物が、さらに、中空粒子を含む(1)〜(10)の何れかのウレタン樹脂。
(12)前記重合性組成物が、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記中空粒子を0.5〜50質量部含む(11)のウレタン樹脂。
(13)前記中空粒子がウレタン系樹脂からなる(11)または(12)のウレタン樹脂。
(14)(1)〜(13)の何れかのウレタン樹脂からなる研磨用パッド。
本発明のウレタン樹脂を用いることにより、後述する実施例でも示されているように、適度な硬度を有し且つ優れた弾性回復(低ヒステリシスロス)と耐摩耗性が高いものである。そのため、摺動部材用(研磨材)、例えば、研磨用のパッドとして該ウレタン樹脂を使用した場合には、良好な耐摩耗性だけではなく、優れた研磨特性すなわち高い研磨レートと低スクラッチ性と高平坦性とを発現させることができる。
本発明で使用するポリロタキサン(A)のイメージ図
本発明のウレタン樹脂は、
分子内に活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)、および分子内にイソ(チオ)シアネート基を2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を反応させて得られる、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)と、
軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)と、
前記ポリロタキサン(A)以外であって、分子内に活性水素を持つ基を3つ以上有する多官能活性水素含有化合物(C2)と
を少なくとも含む重合性組成物を反応(重合)させて得られるウレタン樹脂である。つまり、本発明のウレタン樹脂は、前記ポリロタキサン(A)が分子内に取り込まれた、熱硬化性ウレタン樹脂となる。
先ず、軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)(以下、単に「ポリロタキサン(A)」又は「(A)成分」とする場合もある)について説明する。
<軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)>
本発明で使用するポリロタキサン(A)は、図1に示されているように、全体として“1”で示されており、鎖状の軸分子“2”と環状分子“3”と側鎖“5”から形成されている複合分子構造を有している。即ち、鎖状の軸分子“2”を複数の環状分子“3”が包接しており、環状分子“3”が有する環の内部を軸分子“2”が貫通している。従って、環状分子“3”は、軸分子“2”上を自由にスライドし得るのであるが、軸分子“2”の両端には、嵩高い末端基“4”が形成されており、環状分子“3”の軸分子“2”からの脱落が防止されている。さらに、環状分子“3”が有する環には、活性水素を持つ基を有する側鎖“5”が導入されている。
前記ポリロタキサン(A)は、該環状分子“3”が軸分子“2”上をスライド可能である。それに加え、さらに環状分子“3”から活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されていることから、下記に詳述する分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)と反応して架橋構造を形成することもできるし、疑似架橋構造を形成することもできる。その結果、分子運動し易い架橋点を有することがウレタン樹脂の耐摩耗性を向上させているものと推定される。さらに、ウレタン樹脂が、その分子中に前記スライド可能な架橋構造を有するものとなるため、低いヒステリシスロスを有し、優れた機械特性を発現できるものと考えられる。
前記ポリロタキサン(A)は、国際公開第2015−068798号等に記載の方法で合成することができる。前記(A)成分の構成について説明する。
(ポリロタキサン(A);軸分子)
前記ポリロタキサン(A)において、軸分子としては、種々のものが知られており、環状分子が有する環を貫通し得る限りにおいて直鎖状或いは分岐鎖であってよく、一般にポリマーにより形成される。具体的には、国際公開第2015−068798号等に記載されている。
このような軸分子を形成する好適なポリマーとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリイソプレン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリプロピレングリコール、ポリテトラヒドロフラン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール又はポリビニルメチルエーテルを挙げることができ、これらのうち、ポリエチレングリコールが特に好ましいものとして挙げられる。
さらに、軸分子の両端に形成される嵩高い基としては、軸分子からの環状分子の脱離を防ぐ基であれば、特に制限されないが、嵩高さの観点から、例えばアダマンチル基、トリチル基、フルオレセイニル基、ジニトロフェニル基、およびピレニル基を挙げることができ、これらのうち、特に導入のし易さなどの点で、アダマンチル基を挙げることができる。
前記軸分子の分子量は、特に制限されるものではないが、大きすぎると、粘度が高くなる傾向があり、小さすぎると環状分子の可動性が低下する傾向がある。このような観点から、軸分子の重量平均分子量Mwは、好ましくは400〜100000、より好ましくは500〜50000、特に好ましくは800〜30000の範囲にある。
(ポリロタキサン(A);環状分子)
また、環状分子は、上記のような軸分子を包接し得る大きさの環を有するものであり、このような環としては、例えばシクロデキストリン環、クラウンエーテル環、ベンゾクラウン環、ジベンゾクラウン環およびジシクロヘキサノクラウン環を挙げることができ、これらのうち特にシクロデキストリン環が好ましい。
シクロデキストリン環には、α体(環内径0.45〜0.6nm)、β体(環内径0.6〜0.8nm)、γ体(環内径0.8〜0.95nm)がある。特に、α−シクロデキストリン環、β−シクロデキストリン環が最も好ましい。
上記のような環を有する環状分子は、1つの軸分子に一つ以上の環状分子が包接することとなる。そして、包接し得る環状分子の最大包接数を1としたとき、環状分子の包接数は最大でも0.8以下であることが好ましい。環状分子の包接数が多すぎると、一つの軸分子に対して環状分子が密に存在するようになる。その結果、可動性(スライド幅)が低下し、機械特性が低下する傾向にあり、硬化体中の均一な親水性を発揮する効果が低下する傾向にある。加えて、前記ポリロタキサン(A)自体の分子量が増大する。そのため、硬化性組成物に使用した場合、該硬化性組成物のハンドリング性が低下する傾向にある。さらには、得られる硬化体の成形不良を発現させ安い傾向にある。以上のことから、より好ましくは、少なくとも2つ以上の環状分子で包接されており、環状分子の包接数は最大でも0.6以下の範囲であることが好ましく、0.5以下の範囲にあることがより好ましい。具体的な下限値を設定した場合には、一般に、軸分子1個当たりに包接し得る環状分子の最大包接数を1としたとき、環状分子の包接数は、0.001〜0.8、より好ましくは0.001〜0.6、さらに好ましくは0.002〜0.5、特に好ましくは0.01〜0.4の範囲である。
一つの軸分子に対する環状分子の最大包接数は、軸分子の長さおよび環状分子が有する環の厚みから算出することができる。例えば、軸分子の鎖状部分がポリエチレングリコ−ルで形成され、環状分子が有する環がα−シクロデキストリン環である場合を例にとると、次のようにして最大包接数が算出される。
即ち、ポリエチレングリコ−ルの繰り返し単位[−CH−CHO−]の2単位分がα−シクロデキストリン環1つの厚みに近似する。従って、このポリエチレングリコ−ルの分子量から繰り返し単位数を算出し、この繰り返し単位数の1/2が環状分子の最大包接数として求められる。この最大包接数を1.0とし、環状分子の包接数が前述した範囲に調整されることとなる。
(ポリロタキサン(A);環状分子が有する側鎖)
本発明で使用するポリロタキサン(A)は、前記環状分子に側鎖が導入され、該側鎖が活性水素を持つ基を有することを特徴とする。本発明において、前記環状分子が有する側鎖とは、ある程度の長さを有するものである。そして、該環状分子が直接有する活性水素は、該側鎖が有する活性水素には該当しない。すなわち、例えば、該環状分子がα−シクロデキストリン環である場合には、α−シクロデキストリン環が有する水酸基(OH基)の活性水素は、該側鎖が有する活性水素には該当しない。
以下、本発明においては、ポリロタキサン(A)が有する全ての「活性水素を有する基のモル数」をn2とする。このn2は、側鎖が有する活性水素を持つ基、および環状分子が直接有する活性水素を持つ基の合計モル数(「全活性水素を持つ基のモル数」)に該当する。
一方、本発明において、側鎖が有する活性水素を有する基の総モル数は、ns2とする。ns2の求め方は、導入された側鎖をNMR(核磁気共鳴)等により分析して算出できる。また、活性水素を持つ基が水酸基の場合には、水酸基価を測定することにより、側鎖が有する「活性水素を持つ基」として算出できる。これは、環状分子に側鎖を導入した後では、該環状分子に残存する反応性の低い水酸基は水酸基価としては測定され難いためである。このns2には、ポリロタキサン(A)の環状分子が直接有する活性水素を持つ基は含まれないものとする。
本発明においては、ある程度の長さを有する側鎖が活性水素を有することにより、優れた効果を発揮するものと考えられる。すなわち、環状分子が直接有する「活性水素(活性水素を持つ基)」は、反応性が低い。そのため、側鎖が「活性水素を有する(活性水素を持つ基を有する」ことにより、ウレタン樹脂中にポリロタキサン(A)が均一に取り込まれるようになり、優れた効果を発揮するものと考えられる。
後述するが、本発明においては、例えば、環状分子がα−シクロデキストリン環である場合には、該α−シクロデキストリン環が有する水酸基(OH基)と、他の化合物とを反応させて、他の化合物から形成される側鎖を有する環とし、その際、該側鎖に活性水素を導入することが好ましい。
前記側鎖が有する活性水素を持つ基としては、例えば、水酸基(OH基)、チオール基(SH基)、およびアミノ基(−NH、又は−NHR;Rは置換基、例えば、アルキル基)から選択される少なくとも1種の基が挙げられる。その中でも本発明の分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)との反応性が良好な点からOH基が好ましい。
また、活性水素を持つ基を有する側鎖は、特に制限されるものではないが、炭素数が3〜20の範囲にある有機鎖の繰り返しにより形成されていることが好適である。このような側鎖の平均分子量は45〜10000の範囲であることが好ましい。また、該側鎖の平均分子量は、好ましくは50〜10000、より好ましくは55〜8000、さらに好ましくは100〜8000である。さらに、得られるウレタン樹脂の効果をより高めるためには、該側鎖の平均分子量は、好ましくは100〜5000、より好ましくは200〜5000、さらに好ましくは200〜1500、特に好ましくは300〜1500である。この側鎖の平均分子量は、側鎖の導入時に使用する量により調整ができ、計算により求めることができるが、H−NMRの測定からも求めることができる。側鎖が短過ぎると、被研磨体の表面の均一な平坦精度が低下する傾向にある。一方、側鎖が長過ぎると、耐摩耗性が低下する傾向にある。
上記のような側鎖は、環状分子が有する活性水素を利用し、この活性水素を持つ基を修飾することによって導入される。例えば、α−シクロデキストリン環は、活性水素を持つ基として18個のOH基(水酸基)を有しており、このOH基を介して側鎖が導入される。即ち、1つのα−シクロデキストリン環に対しては最大で18個の側鎖を導入することができることとなる。本発明においては、前述した側鎖の機能を十分に発揮させるためには、このような環が有する活性水素を持つ基の全数の4%以上、好ましくは6%以上、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは30%以上が、側鎖で修飾されていることが好ましい。
なお、環状分子が有する活性水素を持つ基は、他成分との相溶性に影響を与える場合があり、特に、該活性水素を持つ基がOH基であると、他成分との相溶性に大きな影響を与える。そのため、該活性水素を持つ基が修飾された割合(修飾度)は、4%以上80%以下であることが好ましく、6%以上80%以下であることがより好ましく、15%以上70%以下であることがさらに好ましく、30%以上70%以下が特に好ましい。
なお、下記に詳述するが、環状分子が有する活性水素を持つ基は、側鎖が有する活性水素を持つ基(例えば、OH基)よりも反応性が低いため、修飾度は低くても相溶性の低下、ブリードアウトの問題は生じ難い。そのため、修飾度は、上記範囲であれば、より優れた効果を発揮する。因みに、上記α−シクロデキストリン環の18個のOH基の内の9個に側鎖が結合している場合、その修飾度は50%となる。
上記のような側鎖(有機鎖)は、活性水素を持つ基をその有機鎖に有するものであれば、直鎖状であってもよいし、分枝状であってもよい。また、開環重合;ラジカル重合;カチオン重合;アニオン重合;原子移動ラジカル重合、RAFT重合、NMP重合などのリビングラジカル重合などを利用し、前記環状分子の官能基に、活性水素を持つ基を有する有機鎖(側鎖)を反応させることによって、所望の側鎖を導入することができる。
例えば、開環重合により、ラクトン化合物や環状エーテル等の環状化合物に由来する側鎖を導入することができる。ラクトン化合物や環状エーテル等の環状化合物を開環重合して導入した側鎖は、該側鎖の末端に活性水素を持つ基としてOH基が導入されることとなる。
該環状化合物の中でも、入手が容易であり、反応性が高く、さらには大きさ(分子量)の調整が容易であるという観点から、環状エーテルやラクトン化合物を用いることが好ましい。好適な環状化合物の具体例は、以下のとおりである。
環状エーテル;
エチレンオキシド、1,2−プロピレンオキシド、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリン、1,2−ブチレンオキシド、2,3−ブチレンオキシド、イソブチレンオキシド、オキセタン、3−メチルオキセタン、3,3−ジメチルオキセタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフランなど。
ラクトン化合物;
4員環ラクトン、例えば、β−プロピオラクトン、β−メチルプロピオラクトン、L−セリン−β−ラクトンなど。
5員環ラクトン、例えば、γ−ブチロラクトン、γ−ヘキサノラクトン、γ−ヘプタノラクトン、γ−オクタノラクトン、γ−デカノラクトン、γ−ドデカノラクトン、α−ヘキシル−γ−ブチロラクトン、α−ヘプチル−γ−ブチロラクトン、α−ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、γ−メチル−γ−デカノラクトン、α−メチレン−γ−ブチロラクトン、α,α−ジメチル−γ−ブチロラクトン、D−エリスロノラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、γ−ノナノラクトン、DL−パントラクトン、γ−フェニル−γ−ブチロラクトン、γ−ウンデカノラクトン、γ−バレロラクトン、2,2−ペンタメチレン−1,3−ジオキソラン−4−オン、α−ブロモ−γ−ブチロラクトン、γ−クロトノラクトン、α−メチレン−γ−ブチロラクトン、α−メタクリロイルオキシ−γ−ブチロラクトン、β−メタクリロイルオキシ−γ−ブチロラクトンなど。
6員環ラクトン、例えば、δ−バレロラクトン、δ−ヘキサノラクトン、δ−オクタノラクトン、δ−ノナノラクトン、δ−デカノラクトン、δ−ウンデカノラクトン、δ−ドデカノラクトン、δ−トリデカノラクトン、δ−テトラデカノラクトン、DL−メバロノラクトン、4−ヒドロキシ−1−シクロヘキサンカルボン酸δ−ラクトン、モノメチル−δ−バレロラクトン、モノエチル−δ−バレロラクトン、モノヘキシル−δ−バレロラクトン、1,4−ジオキサン−2−オン、1,5−ジオキセパン−2−オンなど。
7員環ラクトン、例えば、ノンアルキル−ε−カプロラクトン、ジアルキル−ε−カプロラクトン、モノメチル−ε−カプロラクトン、モノエチル−ε−カプロラクトン、モノヘキシル−ε−カプロラクトン、ジメチル−ε−カプロラクトン、ジ−n−プロピル−ε−カプロラクトン、ジ−n−ヘキシル−ε−カプロラクトン、トリメチル−ε−カプロラクトン、トリエチル−ε−カプロラクトン、トリ−n−ε−カプロラクトン、ε−カプロラクトン、5−ノニル−オキセパン−2−オン、4,4,6−トリメチル−オキセパン−2−オン、4,6,6−トリメチル−オキセパン−2−オン、5−ヒドロキシメチル−オキセパン−2−オンなど。
8員環ラクトン、例えば、ζ−エナントラクトンなど。
その他のラクトン、例えば、ラクトン、ラクチド、ジラクチド、テトラメチルグリコシド、1,5−ジオキセパン−2−オン、t−ブチルカプロラクトンなど。
上記の環状化合物は、単独で使用することができ、また複数種を併用することもできる。
本発明において、好適に使用される側鎖導入化合物はラクトン化合物であり、ε−カプロラクトン、α−アセチル−γ−ブチロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−ブチロラクトン等のラクトン化合物が特に好適であり、もっとも好ましいものはε−カプロラクトンである。
また、開環重合により環状化合物を反応させて側鎖を導入する場合、環に結合している活性水素を持つ基(例えば水酸基)は反応性に乏しく、特に立体障害などにより大きな分子を直接反応させることが困難な場合がある。このような場合には、例えば、カプロラクトンなどを反応させるために、プロピレンオキシドなどの低分子化合物を、該環に結合している活性水素を持つ基と反応させてヒドロキシプロピル化することにより、反応性に富んだ官能基(水酸基)を導入した後、このヒドロキシプロピル基のヒドロキシル基にカプロラクトンを開環重合させて、大きな側鎖を導入するという手段を採用することができる。この場合、ヒドロキシプロピル化した部分も側鎖と見なすことができる。
本発明で使用するポリロタキサン(A)において、環状分子に、OH基(水酸基)を有する側鎖を導入する場合には、側鎖の導入のし易さ、側鎖の大きさ(分子量)の調整のし易さ、および、該OH基を変性すること等を考慮すると、前記開環重合により側鎖を導入する方法を採用することが好ましい。そのため、末端にOH基を有する側鎖が導入されることが好ましい。
この他、開環重合により、環状アセタール、環状アミン、環状カーボネート、環状イミノエーテル、環状チオカーボネート等の環状化合物に由来する側鎖を導入することにより、活性水素を有する側鎖を導入することができる。これらの中でも、好適な環状化合物の具体例は、国際公開第2015−068798号に記載されているものが使用できる。
また、ラジカル重合を利用して環状分子に側鎖を導入する方法は、以下の通りである。
ポリロタキサンの環状分子が有している環は、ラジカル開始点となる活性部位を有していない。このため、ラジカル重合性化合物を反応させるに先立って、環が有している活性水素を持つ基(例えば、OH基)にラジカル開始点を形成するための化合物を反応させて、ラジカル開始点となる活性部位を形成しておく必要がある。
上記のようなラジカル開始点を形成するための化合物としては、有機ハロゲン化合物が代表的であり、例えば、2−ブロモイソブチリルブロミド、2−ブロモブチル酸、2−ブロモプロピオン酸、2−クロロプロピオン酸、2−ブロモイソ酪酸、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリン、2−クロロエチルイソシアネートなどを挙げることができる。即ち、かかる有機ハロゲン化合物は、環状分子が有している活性水素を持つ基との縮合反応により、該環に結合し、該環にハロゲン原子を含む基(有機ハロゲン化合物残基)を導入する。この有機ハロゲン化合物残基には、ラジカル重合に際して、ハロゲン原子の移動等によりラジカルが生成し、これがラジカル重合開始点となって、ラジカル重合が進行することとなる。
また、上記のようなラジカル重合開始点となる活性部位を有する基(有機ハロゲン化合物残基)は、例えば環が有している水酸基に、アミン、カルボン酸、イソシアネート、イミダゾール、酸無水物などの官能基を有する化合物を反応させ、水酸基以外の他の官能基を導入し、このような他の官能基に前述した有機ハロゲン化合物を反応させて導入することもできる。
また、ラジカル重合により側鎖を導入するために用いるラジカル重合性化合物としては、エチレン性不飽和結合を有する基、例えば、(メタ)アクリル基、ビニル基、スチリル基等の官能基を少なくとも1種有する化合物(以下、エチレン性不飽和モノマーと呼ぶ)が好適に使用される。また、エチレン性不飽和モノマーとしては、末端エチレン性不飽和結合を有するオリゴマーもしくはポリマー(以下、マクロモノマーと呼ぶ)も使用することができる。このようなエチレン性不飽和モノマーとしては、好適な環状化合物の具体例は、国際公開第2015−068798号に記載されているものが使用できる。
以上のように、ラジカル重合性化合物を使用して環状分子に側鎖を導入し、該ラジカル重合性化合物が活性水素を持つ基を有している場合には、そのまま側鎖が活性水素を持つ基を有することになる。また、該ラジカル重合性化合物が活性水素を持つ基を有するものではない場合には、該ラジカル重合性化合物による側鎖を形成した後、該側鎖の一部を、活性水素を持つ基で置換してやればよい。
(好適なポリロタキサン(A)の構成)
本発明において、最も好適に使用されるポリロタキサン(A)は、両端にアダマンチル基で結合しているポリエチレングリコールを軸分子とし、α−シクロデキストリン環を有する環状分子とし、さらに、ポリカプロラクトンにより該環に側鎖(末端がOH基)が導入されているものである。この際、α−シクロデキストリン環のOH基をヒドロキシプロピル化した後、開環重合によりポリカプロラクトンを導入してもよい。
そして、軸分子の重量平均分子量、α−シクロデキストリン環の包接数、α−シクロデキストリン環の水酸基が修飾された割合(修飾度)、および側鎖の分子量は、前記の通りであることが好ましい。導入された側鎖は、全ての末端が活性水素を有する基となることもできるし、活性水素のモル数を所望のものとするため、非反応性の基に変性することもできる。
次に、<分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)>について説明する。
<分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)>
分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)(以下、単に「(B2)成分」又は「ウレタンプレポリマー(B2)」とする場合もある)は、分子内に活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)(以下、単に「(C1)成分」又は「2官能活性水素含有化合物(C1)」とする場合もある)と、分子内に2つのイソ(チオ)シアネート基を有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)(以下、単に「(B1)成分」又は2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)とする場合もある)と、を反応させて得られる、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)である。なお、本発明においてイソ(チオ)シアネート基とは、イソシアネート基、又はイソチオシアネート基を指す。そのため、分子内に2つのイソ(チオ)シアネート基を有するとは、2つのイソシアネート基を有する、2つのイソチオシアネート基を有する、又は1つのイソシアネート基と1つのイソチオシアネート基とを有することを指す。
これらのウレタンプレポリマー(B2)は、未反応のイソシアネート基を含んでいてもよく、一般に使用されているものが、何ら制限なく使用できる。先ず、原料となる(B1)成分について説明する。
<(B1)成分;2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物>
前記2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)としては、例えば、大きく分類すれば、脂肪族イソシアネート、脂環族イソシアネート、芳香族イソシアネート、イソチオシアネート化合物に分類することができる。本発明において、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)は、1種類の化合物を使用することもできるし、複数種類の化合物を使用することもできる。複数種類の化合物を使用する場合には、基準となる質量は、複数種類の化合物の合計量である。これら2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を具体的に例示すると以下の化合物が挙げられる。
((B1)成分;脂肪族イソシアネート)
エチレンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、オクタメチレンジイソシアネート、ノナメチレンジイソシアネート、2,2’−ジメチルペンタンジイソシアネート、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、デカメチレンジイソシアネート、ブテンジイソシアネート、1,3−ブタジエン−1,4−ジイソシアネート、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、1,6,11−トリメチルウンデカメチレンジイソシアネート、1,3,6−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、1,8−ジイソシアネート−4−イソシアネートメチルオクタン、2,5,7−トリメチル−1,8−ジイソシアネート−5−イソシアネートメチルオクタン、ビス(イソシアネートエチル)カーボネート、ビス(イソシアネートエチル)エーテル、1,4−ブチレングリコールジプロピルエーテル−ω,ω’−ジイソシアネート、リジンジイソシアネートメチルエステル、2,4,4,−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等の2官能イソシアネート化合物。
((B1)成分;脂環族イソシアネート)
イソホロンジイソシアネート、(ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイル)ビスメチレンジイソシアネート、(ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイル)ビスメチレンジイソシアネート、2β,5α−ビス(イソシアネート)ノルボルナン、2β,5β−ビス(イソシアネート)ノルボルナン、2β,6α−ビス(イソシアネート)ノルボルナン、2β,6β−ビス(イソシアネート)ノルボルナン、2,6−ジ(イソシアネートメチル)フラン、ビス(イソシアネートメチル)シクロヘキサン、ジシクロヘキシルメタン−4,4’−ジイソシアネート、4,4−イソプロピリデンビス(シクロヘキシルイソシアネート)、シクロヘキサンジイソシアネート、メチルシクロヘキサンジイソシアネート、ジシクロヘキシルジメチルメタンジイソシアネート、2,2’−ジメチルジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、ビス(4−イソシアネート−n−ブチリデン)ペンタエリスリトール、ダイマー酸ジイソシアネート、2,5−ビス(イソシアネートメチル)−ビシクロ〔2,2,1〕−ヘプタン、2,6−ビス(イソシアネートメチル)−ビシクロ〔2,2,1〕−ヘプタン、3,8−ビス(イソシアネートメチル)トリシクロデカン、3,9−ビス(イソシアネートメチル)トリシクロデカン、4,8−ビス(イソシアネートメチル)トリシクロデカン、4,9−ビス(イソシアネートメチル)トリシクロデカン、1,5−ジイソシアネートデカリン、2,7−ジイソシアネートデカリン、1,4−ジイソシアネートデカリン、2,6−ジイソシアネートデカリン、ビシクロ[4.3.0]ノナン−3,7−ジイソシアネート、ビシクロ[4.3.0]ノナン−4,8−ジイソシアネート、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,5−ジイソシアネートとビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,6−ジイソシアネート、ビシクロ[2,2,2]オクタン−2,5−ジイソシアネート、ビシクロ[2,2,2]オクタン−2,6−ジイソシアネート、トリシクロ[5.2.1.02.6]デカン−3,8−ジイソシアネート、トリシクロ[5.2.1.02.6]デカン−4,9−ジイソシアネート。
((B1)成分;芳香族イソシアネート)
キシリレンジイソシアネート(o−、m−,p−)、テトラクロロ−m−キシリレンジイソシアネート、メチレンジフェニル−4,4’−ジイソシアネート、4−クロル−m−キシリレンジイソシアネート、4,5−ジクロル−m−キシリレンジイソシアネート、2,3,5,6−テトラブロム−p−キシリレンジイソシアネート、4−メチル−m−キシリレンジイソシアネート、4−エチル−m−キシリレンジイソシアネート、ビス(イソシアネートエチル)ベンゼン、ビス(イソシアネートプロピル)ベンゼン、1,3−ビス(α,α−ジメチルイソシアネートメチル)ベンゼン、1,4−ビス(α,α−ジメチルイソシアネートメチル)ベンゼン、α,α,α’,α’−テトラメチルキシリレンジイソシアネート、ビス(イソシアネートブチル)ベンゼン、ビス(イソシアネートメチル)ナフタリン、ビス(イソシアネートメチル)ジフェニルエーテル、ビス(イソシアネートエチル)フタレート、2,6−ジ(イソシアネートメチル)フラン、フェニレンジイソシアネート(o−,m−,p−)、トリレンジイソシアネート、エチルフェニレンジイソシアネート、イソプロピルフェニレンジイソシアネート、ジメチルフェニレンジイソシアネート、ジエチルフェニレンジイソシアネート、ジイソプロピルフェニレンジイソシアネート、トリメチルベンゼントリイソシアネート、ベンゼントリイソシアネート、1,3,5−トリイソシアネートメチルベンゼン、1,5−ナフタレンジイソシアネート、メチルナフタレンジイソシアネート、ビフェニルジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,2'−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート、3,3’−ジメチルジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ビベンジル−4,4’−ジイソシアネート、ビス(イソシアネートフェニル)エチレン、3,3’−ジメトキシビフェニル−4,4’−ジイソシアネート、フェニルイソシアネートメチルイソシアネート、フェニルイソシアネートエチルイソシアネート、テトラヒドロナフチレンジイソシアネート、ヘキサヒドロベンゼンジイソシアネート、ヘキサヒドロジフェニルメタン−4,4’−ジイソシアネート、ジフェニルエーテルジイソシアネート、エチレングリコ−ルジフェニルエーテルジイソシアネート、1,3−プロピレングリコールジフェニルエーテルジイソシアネート、ベンゾフェノンジイソシアネート、ジエチレングリコ−ルジフェニルエーテルジイソシアネート、ジベンゾフランジイソシアネート、カルバゾールジイソシアネート、エチルカルバゾールジイソシアネート、ジクロロカルバゾールジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート等の2官能イソシアネート化合物。
((B1)成分;イソチオシアネート化合物)
アルキレン鎖を有する化合物としては、ヘキサメチレンジイソチアシネート、1,2−ジイソチオシアネートエタン、1,3−ジイソチオシアネートプロパン、1,4−ジイソチオシアネートブタン、1,6−ジイソチオシアネートヘキサン、2,4,4,−トリメチルヘキサンメチレンジイソチアシネート、チオビス(3−イソチオシアネートプロパン)、チオビス(2−イソチオシアネートエタン)、ジチオビス(2−イソチオシアネートエタン)などが挙げられる。
フェニル基、又はシクロヘキサン基(環)を有する化合物としては、p−フェニレンジイソプロピリデンジイソチオシアネート、1,2−ジイソチオシアネートベンゼン、1,3−ジイソチオシアネートベンゼン、1,4−ジイソチオシアネートベンゼン、2,4−ジイソチオシアネートトルエン、イソホロンジイソチオシアネート、キシレンジイソチオシアネート(o−,m−,p−)、2,4−トリレンジイソチオシアネート、2,6−トリレンジイソチオシアネート、シクロヘキサンジイソチオシアネートなどが挙げられる。
2つのフェニル基、又は2つのシクロヘキサン基(環)を有する化合物としては、1,1’−メチレンビス(4−イソチオシアネートベンゼン)、1,1’−メチレンビス(4−イソチオシアネート2−メチルベンゼン)、1,1’−メチレンビス(4−イソチオシアネート3−メチルベンゼン)などが挙げられる。
ノルボルナン環を有する化合物としては、2,4−ビス(イソチオシアナトメチル)ノルボルナン、2,5−ビス(イソチオシアナトメチル)ノルボルナン、
2,6−ビス(イソチオシアナトメチル)ノルボルナン、3,5−ビス(イソチオシアナトメチル)ノルボルナン、ノルボルナンジイソチアネートなどが挙げられる。
チオフェン環または含硫黄複素環を有する化合物としては、チオフェン−2,5−ジイソチオシアネート、1,4−ジチアン−2,5−ジイソチオシアネート、2,5−ビス(イソチオシアナトメチル)−1,4−ジチアン、4,5−ビス(イソチオシアナトメチル)−1,3−ジチオランなどが挙げられる。
<(B1)成分; 好適な2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物>
以上のような該2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)の中でも、本発明の(B2)成分を形成する好適な化合物としては、特に制限されるものではないが、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)としては、特に、次に例示する化合物を使用することが好ましい。具体的には、キシレンジイソシアネート(o−,m−,p−)、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、フェニレンジイソシアネート(o−,m−,p−)、2,2'−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネートを使用することが好ましい。
次に、分子内に2つの活性水素を持つ基を有する2官能活性水素含有化合物(C1)((C1)成分)について説明する。
<(C1)成分;分子内に2つの活性水素を持つ基を有する2官能活性水素含有化合物>
2官能活性水素含有化合物(C1)としては、分子内に2つの活性水素を持つ基を有する化合物であれば、特に制限なく使用できる。本発明の(C1)成分において、好適な活性水素を持つ基は、(ポリロタキサン(A)の環状分子が有する側鎖)の項目で説明した基と同一の基が挙げられ、中でも、ウレタンプレポリマー((A)成分)を製造する上での反応制御の点、得られるウレタンプレポリマーの粘度の観点から、水酸基、及びチオール基から選択される少なくとも1種の基が好ましい。
また、(C)成分は、1つの分子中に2種類の活性水素を持つ基を有していてもよい(例えば、水酸基、およびチオール基をそれぞれ1つ有してもよい。)。さらに、これら(C1)は、複数種類の化合物を使用することもできる。複数種類の化合物を使用する場合には、基準となる質量は、複数種類の化合物の合計量である。前記(C1)を例示するとすれば、以下のようなものが例示できる。
((C1)成分;OH基を有する化合物)
OH基を有する化合物としては、例えば、ポリオール化合物が挙げられる。ポリオール化合物としては、本発明の(C1)成分で用いられるポリオール化合物は、1分子中に2個のOH基を含有する化合物である。
例えば、炭素数2〜10のアルキレン基の両末端にOHを有する化合物、具体的には、ジメチル−、トリメチル−、テトラメチル−、ペンタメチル−、ヘキサメチル−ジヒドロキシ化合物が挙げられる。その他、1分子中に2個のOH基を含有するポリエステル(ポリエステルポリオール)、1分子中に2個のOH基を含有するポリエーテル(以下ポリエーテルポリオールという)、1分子中に2個のOH基を含有するポリカーボネート(ポリカーボネートポリオール)、1分子中に2個のOH基を含有するポリカプロラクトン(ポリカプロラクトンポリオール)、1分子中に2個のOH基を含有するアクリル系重合体(ポリアクリルポリオール)を代表的として挙げることができる。
また、これらのポリオール化合物は、前述する2官能イソ(チオ)シアネート化合物(B1)との反応により調製されるプレポリマーを含んでもよい。前記2官能性活性水素含有化合物(C1)において、ポリオール化合物のプレポリマーとしては、未反応のOH基を両末端に有する、公知の化合物が挙げられる。
これらの化合物を具体的に例示すると次のとおりである。
((C1)成分;脂肪族アルコール)
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、ブチレングリコール、1,5−ジヒドロキシペンタン、1,6−ジヒドロキシヘキサン、1,7−ジヒドロキシヘプタン、1,8−ジヒドロキシオクタン、1,9−ジヒドロキシノナン、1,10−ジヒドロキシデカン、1,11−ジヒドロキシウンデカン、1,12−ジヒドロキシドデカン、ネオペンチルグリコール、モノオレイン酸グリセリル、モノエライジン、ポリエチレングリコール、3−メチル−1,5−ジヒドロキシペンタン、2−エチル−1,2−ジヒドロキシヘキサン、2−メチル−1,3−ジヒドロキシプロパン、ポリテトラメチレングリコール等の2官能活性水素含有化合物。
((C1)成分;脂環族アルコール)
水添ビスフェノールA、シクロブタンジオール、シクロペンタンジオール、シクロヘキサンジオール、シクロヘプタンジオール、シクロオクタンジオール、シクロヘキサンジメタノール、ヒドロキシプロピルシクロヘキサノール、トリシクロ〔5,2,1,02,6〕デカン−ジメタノール、ビシクロ〔4,3,0〕−ノナンジオール、ジシクロヘキサンジオール、トリシクロ〔5,3,1,13,9〕ドデカンジオール、ビシクロ〔4,3,0〕ノナンジメタノール、トリシクロ〔5,3,1,13,9〕ドデカン−ジエタノール、ヒドロキシプロピルトリシクロ〔5,3,1,13,9〕ドデカノール、スピロ〔3,4〕オクタンジオール、ブチルシクロヘキサンジオール、1,1’−ビシクロヘキシリデンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,2−シクロヘキサンジメタノール、及びo−ジヒドロキシキシリレン等の2官能活性水素含有化合物。
((C1)成分;芳香族アルコール)
ジヒドロキシナフタレン、ジヒドロキシベンゼン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、キシリレングリコール、テトラブロムビスフェノールA、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、1,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−ナフチルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−フェニルエタン、2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−(3−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−3−メチルブタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)オクタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−4−メチルペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘプタン、4,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘプタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)トリデカン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)オクタン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−エチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−n−プロピル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−イソプロピル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−sec−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−シクロヘキシル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−アリル−4'−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メトキシ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(2,3,5,6−テトラメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)シアノメタン、1−シアノ−3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロペンタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘプタン、1,1−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−4−メチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ノルボルナン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、4,4'− ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4'− ジヒドロキシ−3,3'−ジメチルジフェニルエーテル、エチレングリコールビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、4,4'− ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジシクロヘキシル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジフェニル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホキシド、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホキシド、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4'−ジヒドロキシ−3,3'−ジメチルジフェニルスルホン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)ケトン、7,7'−ジヒドロキシ−3,3',4,4'−テトラヒドロ−4,4,4',4'−テトラメチル−2,2'−スピロビ(2H−1−ベンゾピラン)、トランス−2,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−2−ブテン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−2−ブタノン、1,6−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,6−ヘキサンジオン、4,4'−ジヒドロキシビフェニル、m−ジヒドロキシキシリレン、p−ジヒドロキシキシリレン、1,4−ビス(2−ヒドロキシエチル)ベンゼン、1,4−ビス(3−ヒドロキシプロピル)ベンゼン、1,4−ビス(4−ヒドロキシブチル)ベンゼン、1,4−ビス(5−ヒドロキシペンチル)ベンゼン、1,4−ビス(6−ヒドロキシヘキシル)ベンゼン、2,2−ビス〔4−(2”−ヒドロキシエチルオキシ)フェニル〕プロパン、及びハイドロキノン、レゾールシン等の2官能活性水素含有化合物。
((C1)成分;その他の高分子ポリオール)
ポリエステルポリオール;ポリオールと多塩基酸との縮合反応により得られる水酸基を2個有する2官能活性水素化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜2000であることが好ましく、500〜1500より好ましく、600〜1200が最も好ましい。
ポリエーテルポリオール;アルキレンオキシドの開環重合で得られる水酸基を2個有する化合物、または、分子中に活性水素含有基を2個する化合物とアルキレンオキサイドとの反応により得られる化合物およびその変性体が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜2000であることが好ましく、500〜1500より好ましく、600〜1200が最も好ましい。
ポリカプロラクトンポリオール;ε−カプロラクトンの開環重合により得られる水酸基を2個有する化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜2000であることが好ましく、500〜1500より好ましく、600〜1200が最も好ましい。
ポリカーボネートポリオール;低分子ポリオールの1種類以上をホスゲン化して得られる水酸基を2個有する化合物あるいはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジフェニルカーボネート等を用いてエステル交換して得られるOH基を2個有する化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜2000であることが好ましく、500〜1500より好ましく、600〜1200が最も好ましい。
ポリアクリルポリオール;水酸基を含有するアクリル酸エステルもしくはメタクリル酸エステルとこれらエステルと共重合可能なモノマーとの共重合により得られる水酸基を2個有する化合物が挙げられる。
アクリルポリオール;(メタ)アクリル酸エステルやビニルモノマーを重合させて得られる水酸基を2個有する化合物が挙げられる。
((C1)成分;SH基含有化合物)
次に、SH基(チオール基)を有する活性水素含有化合物(C1)を例示する。SH基を有する化合物としては、例えばポリチオール化合物が挙げられる。該(C1)成分に利用できるポリチオール化合物は、1分子中に2個のSH基を含有する化合物である。これらの化合物を具体的に例示すると次のとおりである。
((C1)成分;脂肪族チオール化合物)
1,3−プロパンジチオール、1,6−ヘキサンジチオール、1,10−デカンジチオール、1,8−オクタンジチオール、1,4−ブタンジオールビス(3−メルカプトプロピオネート)、1,4−ブタンジオールビス(チオグリコレート)、1,6−ヘキサンジオールビス(チオグリコレート)、テトラエチレングリコールビス(3−メルカプトプロピオネート)、1,6−ヘキサンジオールビス(3−メルカプトプロピオネート)等の2官能活性水素含有化合物。
((C1)成分;脂環族チオール化合物)
1,4−ビス(メルカプトプロピルチオメチル)ベンゼン、及び2,5−ビス(メルカプトメチル)−1,4−ジチアン等の2官能活性水素含有化合物。
芳香族チオール化合物;
4,6−ビス(メルカプトメチルチオ)−1,3−ジチアン。
((C1)成分;2官能複合型活性水素含有化合物)
本発明には、1分子中に、OH基とSH基を含有する2官能複合型活性水素含有化合物も使用できる。その具体例としては、以下の化合物を挙げることができる。
((C1)成分;OH/SH型化合物)
1−ヒドロキシ−4−メルカプトシクロヘキサン、4−メルカプトフェノールに例示される2官能活性水素含有化合物。
<(C1)成分;好適な2官能活性水素含有化合物>
上記例示した中でも、該ウレタンプレポリマー(B2)を構成する2官能活性水素含有化合物(C1)としては、特に以下の化合物を使用することが好ましい。具体的には、
ポリエステルポリオールの分子の両末端にのみ(分子内に2つの)水酸基を有するもの、ポリエーテルポリオール分子の両末端にのみ(分子内に2つの)水酸基を有するもの、
ポリカプロラクトンポリオール分子の両末端にのみ(分子内に2つの)水酸基を有するもの、
ポリカーボネートポリオール分子の両末端にのみ(分子内に2つの)水酸基を有するもの、
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、ブチレングリコール、1,5−ジヒドロキシペンタン、1,6−ジヒドロキシヘキサン、1,7−ジヒドロキシヘプタン、1,8−ジヒドロキシオクタン、1,9−ジヒドロキシノナン、1,10−ジヒドロキシデカン、1,11−ジヒドロキシウンデカン、1,12−ジヒドロキシドデカン、ネオペンチルグリコール、ポリテトラメチレングリコールを挙げることができる。
以上の中でも、最終的に得られるウレタン樹脂が、特に優れた特性を発揮するためには、少なくとも1種類の分子量(数平均分子量)が500〜2000の2官能活性水素含有化合物(C1)を使用してウレタンプレポリマー(B2)を製造することが好ましい。分子量(数平均分子量)が500〜2000の2官能活性水素含有化合物(C1)は、種類の異なるもの、分子量の異なるものを組み合わせて使用することもできる。また、最終的に得られるウレタン樹脂の硬度等を調整するために、ウレタンプレポリマー(B2)を形成する際に、該分子量(数平均分子量)が500〜2000の2官能活性水素含有化合物(C1)と、該分子量(数平均分子量)が90〜300の2官能活性水素含有化合物(C1)とを組み合わせて使用することもできる。この場合、使用する2官能活性水素含有化合物(C1)、および2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)の種類、およびそれらの使用量にもよるが、分子量500〜2000の2官能活性水素含有化合物(C1)を100質量部とした時、分子量90〜300の2官能活性水素含有化合物(C1)を1〜100質量部とすることが好ましい。
<(B2)成分;ウレタンプレポリマー(B2)の特徴>
また、ウレタンプレポリマー(B2)は、分子の両末端がイソ(チオ)シアネート基とならなければならない。そのため、ウレタンプレポリマー(B2)は、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)におけるイソ(チオ)シアネート基のモル数(n5)と2官能活性水素含有化合物(C1)の活性水素を持つ基のモル数(n6)とが、1<(n5)/(n6)≦2.3となる範囲で製造することが好ましい。2種類以上の、分子の末端がイソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を用いる場合、該イソ(チオ)シアネート基のモル数(n5)は、それらイソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)の合計のイソ(チオ)シアネート基のモル数とする。また、2種類以上の2官能活性水素含有化合物(C1)を用いた場合、該活性水素を持つ基のモル数(n6)は、それら2官能活性水素含有化合物の合計の活性水素のモル数とする。
なお、下記に詳述するが、該2官能活性水素含有化合物(C1)において、アミノ基を有する化合物を用いる場合、アミノ基のモル数と活性水素のモル数とは等しいものとする。
また、特に制限されるものではないが、前記ウレタンプレポリマー(B2)は、イソ(チオ)シアネート当量(ウレタンプレポリマー(B2)の分子量を1分子中のイソ(チオ)シアネート基の数で割った値)が、好ましくは300〜5000、より好ましくは500〜3000、特に好ましくは700〜2000となるものである。本発明におけるウレタンプレポリマー(B2)は、好ましくは、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)と2官能活性水素含有化合物(C1)とから合成される直鎖状のものであるため、この場合には1分子中のイソ(チオ)シアネート基の数は2となる。
ウレタンプレポリマー(B2)は、2官能活性水素含有化合物(C1)及び2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を反応して得られるものであるが、反応の際に、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)のすべてが反応せず、一部未反応のまま残ることがある。この場合は、ウレタンプレポリマー(B2)及び2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を含む全イソ(チオ)シアネート化合物の平均のイソ(チア)シアネート当量を一定の範囲に調整することが好ましい。
この場合であっても、前記イソ(チオ)シアネート当量は300〜5000となることが好ましい。つまり、該ウレタンプレポリマー(B2)及び2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を含む全イソ(チオ)シアネート化合物の平均のイソ(チオ)シアネート当量が300〜5000となることが好ましい。平均のイソ(チオ)シアネート当量が300〜5000となることにより、ある程度の分子量を有するポリイソ(チオ)シアネート化合物を使用することになり、優れた効果を発揮するものと考えられる。
ただし、本発明においては、1<(n5)/(n6)≦2となる範囲でウレタンプレポリマー(B2)を製造して、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)が含まれない状態とすることが好ましい。つまり、ウレタンプレポリマー(B2)のみからなるポリイソ(チオ)シアネート化合物(B)を使用し、該ウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート当量が300〜5000となることが好ましい。
該ウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート当量は、ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基をJIS K 7301に準拠して定量することにより、求めることができる。該イソ(チオ)シアネート基は、以下の逆滴定法によって定量できる。先ず、得られたウレタンプレポリマー(B2)を乾燥溶媒に溶解させる。次に、ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の量よりも、明らかに過剰量であって、かつ濃度が既知のジ−n−ブチルアミンを、該乾燥溶媒に加え、ウレタンプレポリマー(B2)の全イソ(チオ)シアネート基とジ−n−ブチルアミンとを反応させる。次いで、消費されなかった(反応に関与しなかった)ジ−n−ブチルアミンを酸で滴定して、消費されたジ−n−ブチルアミンの量を求める。この消費されたジ−n−ブチルアミンと、ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基とは、同量であることからイソ(チオ)シアネート当量を求めることができる。また、ウレタンプレポリマー(B2)は、両末端がイソ(チオ)シアネート基の直鎖状のウレタンプレポリマーであることから、ウレタンプレポリマー(B2)の数平均分子量は、イソ(チオ)シアネート当量の2倍となる。このウレタンプレポリマー(B2)の分子量は、ゲルパーミネーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した値と一致し易い。なお、該ウレタンプレポリマー(B2)と2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)とを併用して使用する場合には、両者の混合物を上記方法に沿って測定すればよい。
前記ウレタンプレポリマー(B2)は、イソ(チオ)シアネート当量が好ましくは300〜5000、より好ましくは400〜3000、特に好ましくは500〜2000となる理由は、明らかではないが、以下のように考えられる。すなわち、ある程度の分子量を有するウレタンプレポリマー(B2)がポリロタキサン(A)の側鎖の水酸基等と反応することにより、スライド可能な分子が大きくなって分子自体の動きが大きくなり、その結果、変形に対しても回復(弾性回復;低ヒステリシスロス)し易くなると考えられる。さらには、ウレタンプレポリマー(B2)が使用されることにより、ウレタン樹脂における架橋点が分散し易くなってランダムに且つ均一に存在するようになり、安定した性能が発揮されるものと考えられる。そして、ウレタンプレポリマー(B2)を使用して得られるウレタン樹脂は、製造時の制御がし易くなり、加えて研磨用パッドとして好適に使用できるようになると考えられる。このような効果は、ウレタンプレポリマー(B2)と2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)とを併用した場合において、ポリイソ(チオ)シアネート化合物の平均のイソ(チオ)シアネート当量が300〜5000であっても、発現するものと考えられる。ただし、前記効果は、ウレタンプレポリマー(B2)のみである場合の方が顕著になると考えられる。
さらに、前記ウレタンプレポリマー(B2)は、ウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート当量から求められる、ウレタンプレポリマー(B2)中に存在するイソ(チオ)シアネート含有量((I);質量モル濃度(mol/kg))と、ウレタンプレポリマー(B2)中に存在する(チオ)ウレタン結合((チオ)ウレア結合を含む)含有量((U);質量モル濃度(mol/kg))が、1≦(U)/(I)≦10になることが好ましい。この範囲は、ウレタンプレポリマー(B2)と2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)とを併用して使用する場合も同じである。ただし、本発明においては、ウレタンプレポリマー(B2)のみであることが好ましい。この理由も明らかではないが、(チオ)ウレタン結合((チオ)ウレア結合を含む)が存在することにより、水素結合等の作用により、他分子との相互作用が生じ易くなり、得られるウレタン樹脂の特性を高めることができると考えられる。なお、イソ(チオ)シアネート含有量((I);質量モル濃度(mol/kg))は、イソ(チオ)シアネート当量の逆数に1000をかけた値である。また、ウレタンプレポリマー中に存在する(チオ)ウレタン結合((チオ)ウレア結合を含む)含有量 (U)質量モル濃度(mol/kg)は、例えば、下記の手法で理論値が求められる。即ち、ウレタンプレポリマー(B2)を構成する2官能活性水素含有化合物(C1)、および2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)中に存在する、反応前のイソ(チオ)シアネート基の含有量を全イソシアネート含有量((aI);質量モル濃度(mol/kg))とすると、(チオ)ウレタン結合((チオ)ウレア結合を含む)含有量((U);質量モル濃度(mol/kg))は、(B)成分の全イソ(チオ)シアネート基の含有量((aI);質量モル濃度(mol/kg))からイソシアネート含有量((I);質量モル濃度(mol/kg))を引いた値((U)=(aI)−(I))となる。
(ウレタンプレポリマー(B2)の製造方法)
本発明に用いる、プレポリマーの製造方法は、活性水素基を分子内に2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)とイソ(チオ)シアネート基を分子内に2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)とを反応させて、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)を製造すればよい。末端にイソ(チオ)シアネート基を有するプレポリマーを得ることが出来れば、何ら制限はない。
上述しているが、ウレタンプレポリマー(B2)を得る為の好ましい2官能活性水素含有化合物(C1)とイソ(チオ)シアネート基を分子内に2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)の配合量は、2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)におけるイソ(チオ)シアネート基のモル数(n5)と2官能活性水素含有化合物(C1)の活性水素のモル数(n6)とが、1<(n5)/(n6)≦2.3となる範囲で製造することが好ましい。
また、ウレタンプレポリマーの製造の為に反応においては、必要に応じて加熱やウレタン化触媒を添加することで製造することが可能である。
<多官能活性水素含有化合物(C2)>
本発明においては、前記ポリロタキサン(A)以外であって、かつ活性水素を持つ基を分子内に3つ以上有する多官能活性水素含有化合物(C2)成分(以下、単に「(C2)成分」又は多官能活性水素含有化合物(C2)成分とする場合もある)を使用することにより、得られるウレタン樹脂の架橋密度を調整できる。その結果、得られるウレタン樹脂が優れた機械特性を発揮するものと考えられる。このような多官能活性水素含有化合物(C2)は、分子内に3つ以上の活性水素を持つ基を有する化合物であれば何ら制限なく使用することが出来る。また1つの分子中に2種類以上の活性水素を持つ基を含有していてもよい。該活性水素を持つ基としては、(ポリロタキサン(A)の環状分子が有する側鎖)の項目で説明した基と同一の基が挙げられる。
多官能活性水素含有化合物(C2)成分は、分子内に3つ以上の活性水素を持つ基を有する化合物であれば特に制限されないが、分子内に3〜8の活性水素を持つ基を有することが好ましく、3〜6の活性水素を持つ基を有することがより好ましい。
本発明において、ウレタン樹脂を製造する際の制御のし易さという点から、多官能活性水素含有化合物(C2)成分の活性水素を持つ基は、水酸基、又はチオール基が好ましい。さらに、これらの多官能活性水素含有化合物(C2)は、複数種類の化合物を使用することもできる。複数種類の化合物を使用する場合には、基準となる質量は、複数種類の化合物の合計量である。なお、本発明で使用する多官能活性水素含有化合物(C2)を例示するとすれば、以下のようなものが例示できる。
((C2)成分;OH基を有する化合物)
OH基を有する化合物としては、OH基を3つ以上有している化合物が使用できる。
例えば、炭素数2〜10のアルキレン基が枝分かれした1分子中に3個以上のOH基を有する化合物等が挙げられる。その他、1分子中に3個以上のOH基を含有するポリエステル(ポリエステルポリオール)、1分子中に3個以上のOH基を含有するポリエーテル(以下ポリエーテルポリオールという)、1分子中に3個以上のOH基を含有するポリカーボネート(ポリカーボネートポリオール)、1分子中に3個以上のOH基を含有するポリカプロラクトン(ポリカプロラクトンポリオール)、1分子中に3個以上のOH基を含有するアクリル系重合体(ポリアクリルポリオール)を代表的として挙げることができる。
また、これらの化合物を具体的に例示すると次のとおりである。
((C2)成分; 脂肪族アルコール)
グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ジトリメチロールプロパン、トリメチロールプロパントリポリオキシエチレンエーテル(例えば、日本乳化剤株式会社のTMP−30、TMP−60、TMP−90等)、ブタントリオール、1,2−メチルグルコサイド、ペンタエリトリトール、ジペンタエリトリトール、トリペンタエリトリトール、ソルビトール、エリスリトール、スレイトール、リビトール、アラビニトール、キシリトール、アリトール、マンニトール、ドルシトール、イディトール、グリコール、イノシトール、ヘキサントリオール、ヘキサンテトラオールトリグリセロール、ジグリセロール、トリエチレングリコール等の多官能OH基含有化合物。
((C2)成分; 脂環族アルコール)
トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレート、シクロヘキサントリオール、スクロース、マルチトール、ラクチトール、1,3,5−アダマンタントリオール等の多官能OH基含有化合物。
((C2)成分; 芳香族アルコール)
トリヒドロキシナフタレン、テトラヒドロキシナフタレン、ベンゼントリオール、ビフェニルテトラオール、ピロガロール、(ヒドロキシナフチル)ピロガロール、トリヒドロキシフェナントレン、2,4,4’−トリヒドロキシベンゾフェノン、α,α,α'−トリス(4−ヒドロキシフェニル)−1−エチル−4−イソプロピルベンゼン等の多官能OH基含有化合物。
((C2)成分; その他高分子ポリオール)
ポリエステルポリオール;ポリオールと多塩基酸との縮合反応により得られる3官能以上のOH基含有化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
ポリエーテルポリオール;アルキレンオキシドの開環重合、または、分子中に活性水素含有基を2個以上有する化合物とアルキレンオキサイドとの反応により得られる3官能以上のOH基含有化合物およびその変性体が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
ポリカプロラクトンポリオール;ε−カプロラクトンの開環重合により得られる3官能以上のOH基含有化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
ポリカーボネートポリオール;低分子ポリオールの1種類以上をホスゲン化して得られる化合物あるいはエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジフェニルカーボネート等を用いてエステル交換して得られる3官能以上のOH基含有化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
ポリアクリルポリオール;OH基を含有するアクリル酸エステルもしくはメタクリル酸エステルとこれらエステルと共重合可能なモノマーとの共重合により得られる3官能以上のOH基含有化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
アクリルポリオール;(メタ)アクリル酸エステルやビニルモノマーを重合させて得られる3官能以上のOH基含有化合物が挙げられる。中でも、数平均分子量が400〜1000であることが好ましい。
((C2)成分;SH基を有する化合物)
SH基を有する化合物としては、SH基を3つ以上有している化合物が使用できる。
テトラキス(メルカプトメチル)メタン、トリメチロールプロパントリス(3−メルカプトプロピオネート)、トリメチロールエタントリス(3−メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトプロピオネート)、ジペンタエリスリトールヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)、及びペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトブチレート)等の多官能SH基含有化合物等が挙げられる。
((C2)成分;複合型多官能活性水素含有化合物)
本発明には、1分子中に、OH基とSH基を含有する複合型多官能活性水素含有化合物も使用できる。その具体例としては、以下の化合物を挙げることができる。
((C2)成分;OH/SH型化合物)
3−メルカプト−1,2−プロパンジオール、1,3−ジメルカプト−2−プロパノール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、ペンタエリスリトールトリス(3−メルカプトプロピオネート)、ペンタエリスリトールモノ(3−メルカプトプロピオネート)、及び、ペンタエリスリトールビス(3−メルカプトプロピオネート)等の複合型多官能活性水素含有化合物。
((C2)成分; 好適な(C2)成分)
以上の中でも、最終的に得られるウレタン樹脂が、特に優れた特性を発揮するためには、少なくとも1種類の分子量(数平均分子量)が90〜1000の多官能活性水素含有化合物(C2)を使用してウレタン樹脂を製造するのが好ましい。さらに好ましくは、分子量(数平均分子量)が90〜500、もっとも好ましくは90〜300の範囲の(C2)成分を使用して製造することが好ましい。すなわち、多官能活性水素含有化合物(C2)は、上記した分子量の多官能活性水素化合物を含むことが好ましい。(C2)成分がこの範囲にあることで、適切な硬度と優れた耐摩耗性を発揮させることが出来る。
中でも、特に以下の化合物を使用することが好ましい。具体的には、
グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ジトリメチロールプロパン、トリメチロールプロパントリポリオキシエチレンエーテル(日本乳化剤株式会社のTMP−30)、トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレート、ソルビトール等を挙げることが出来る。
(重合性組成物の好適な配合割合)
本発明において、前記ウレタンプレポリマー(B2)と、前記ポリロタキサン(A)と、前記多官能活性水素含有化合物(C2)と、必要に応じて配合される、その他の活性水素を持つ基を有する化合物、例えば、下記に詳述する2官能活性水素含有化合物(CH)、および/又は下述するアミン基含有化合物(CA)とを含む重合性組成物(以下、単に「重合性組成物」とする場合もある)の配合割合は、特に制限されるものではない。中でも、優れた効果を発揮するためには、該重合性組成物中の全イソ(チオ)シアネート基を1モルとしたとき、重合組成物中の全活性水素を持つ基のモル数(活性水素を持つ基の全モル数)が0.8〜2.0モルとなることが好ましい。前記イソ(チオ)シアネート基が多過ぎたり、少な過ぎたりすると、得られるウレタン樹脂において、硬化不良を生じ易くなったり、耐摩耗性が低下する傾向にある。より一層、硬化状態がよく、均一な状態で、しかも耐摩耗性に優れたウレタン樹脂を得るためには、前記全イソ(チオ)シアネート基を1モルとしたとき、前記全活性水素を持つ基のモル数が0.85〜1.75モルとなることがより好ましく、0.9〜1.5モルとなることがさらに好ましい。
「全活性水素を持つ基のモル数」には、前記ポリロタキサン(A)が有する全ての活性水素を持つ基、すなわち、側鎖が有する活性水素を持つ基、およびその他の箇所に有する活性水素を持つ基(例えば、環状分子が直接有する活性水素を持つ基(環状分子がα−シクロデキストリン環の場合には、側鎖が導入されていないα−シクロデキストリン環の水酸基))が含まれるものとする。
ただし、例えば、側鎖が導入されていないα−シクロデキストリン環の水酸基等は、反応性が低い。そのため、得られるウレタン樹脂の物性を制御する場合には、この水酸基を除いて考えることもできる。前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基のモル数、多官能活性水素含有化合物(C2)、及び、必要に応じて配合される、その他の活性水素を持つ基を有する化合物、例えば、下記に詳述する前記2官能活性水素含有化合物(CH)、および/又は下述するアミン基含有化合物(CA)の活性水素を持つ基のモル数の合計モル数(以下、「活性水素を持つ基の合計モル数」とする場合もある)が、前記全イソ(チオ)シアネート基を1モルとしたとき、前記「活性水素を持つ基の合計モル数」が0.8〜1.2モルとなることが好ましく、0.85〜1.15モルとなることがさらに好ましく、0.9〜1.1モルとなることがさらに好ましい。この範囲を満足することにより、硬化状態がよく、均一な状態で、しかも耐摩耗性に優れたウレタン樹脂を得ることができる。
前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数は、活性水素を持つ基が水酸基の場合、実施例に記載されている手法で水酸基価を求めてやればよい。この水酸基価の値が、前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数と関係する。
なお、「全活性水素を持つ基のモル数」、および「活性水素を持つ基の合計モル数」を算出する際に、アミノ基含有化合物(CA)のようなアミノ基を有する化合物を使用した場合には、該アミノ基を有する化合物の活性水素のモル数は、アミノ基のモル数と等しいものとする。
さらに、本発明で使用する重合性組成物は、特に制限されるものではないが、重合性組成物を硬化して得られるポリウレタン樹脂が、優れた効果を発揮するためには、前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、前記ポリロタキサン(A)が有する活性水素を持つ全基の総モル数をn2とし、多官能活性水素含有化合物(C2)が有する活性水素を持つ基の総モル数をn3としたとき、各成分の量比が、以下の配合割合となることが好ましい。n1:n2:n3=100:8〜216:8〜108であり、さらに、n2:n3の各成分の量比が、n2:n3=1:0.05〜13.0、となる範囲にあることが好ましい。なお、前記n2は、前記ポリロタキサン(A)における、側鎖が有する活性水素を持つ基、および環状分子が有する活性水素を持つ基の合計モル数と同義である。
得られるウレタン樹脂において、前記ポリロタキサン(A)の割合が少な過ぎると、該ポリロタキサン(A)が元来有する運動性の高さによる耐摩耗性の向上効果が低下する傾向にある。また、該ポリロタキサン(A)が多くなり過ぎると、同じく、架橋による耐摩耗性向上効果が低下する傾向にある。また、ウレタンプレポリマー(B2)や、多官能活性水素含有化合物(C2)の分散性が低下するものと考えられるが、架橋点が均一に分散しているウレタン樹脂の製造が難しくなる傾向にある。そのため、n1:n2:n3=100:12〜96:16〜102であり、さらに、n2:n3の各成分の量比が、n2:n3=1:0.2〜12.0であることがより好ましい。
また、得られるウレタン樹脂において、前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数をns2とし、多官能活性水素含有化合物(C2)が有する水酸基の総モル数をn3としたとき、各成分の量比が、以下の配合割合となることが好ましい。n1:ns2:n3=100:8〜108:8〜108であり、さらに、ns2:n3の各成分の量比が、ns2:n3=1:0.1〜13.0、となる範囲にあることが好ましい。なお、前記ns2は、ポリロタキサン(A)における、「側鎖が有する、活性水素を持つ基のみの総モル数」である。そのため、ns2には、前記ポリロタキサン(A)の環状分子が有する活性水素を持つ基のモル数は含まれない。
さらに、上記と同じ理由で得られるウレタン樹脂において、より架橋点をより均一に分散させるためには、各成分の量比が、n1:ns2:n3=100:12〜96:12〜96であり、さらに、n2:n3の各成分の量比が、n2:n3=1:0.1〜8.0、となる範囲にあることが好ましい。
本発明において、前記重合性組成物は、特に制限されるものではないが、質量割合で示すと、以下の配合割合からなることが好ましい。すなわち、前記ポリロタキサン(A)が得られるウレタン樹脂中に以下の配合割合で含まれていることが好ましい。前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部とすることが好ましい。この範囲を満足することにより、前記ポリロタキサン(A)が有する効果を十分に発揮することができる。より優れた特性を有するウレタン樹脂とするためには、前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を150〜1000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を4〜100質量部とすることがより好ましい。
以上の通り、本発明においては、ウレタン樹脂が前記ウレタンプレポリマー(B2)と、前記ポリロタキサン(A)と、前記多官能活性水素含有化合物(C2)とを含む重合性組成物を反応させて得られるものである。この反応を行う際に、本発明においては、該重合性組成物に、さらに、分子内に、水酸基、及びチオール基から選ばれる活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(CH)を配合することができる。2官能活性水素含有化合物(CH)を配合することにより得られるポリウレタン樹脂を、研磨用パッドとして用いた場合に、研磨レートが高まるなど研磨特性をより良好にすることができる。次に、この2官能活性水素含有化合物(CH)について説明する。
(2官能活性水素含有化合物(CH))
この2官能活性水素含有化合物(CH)は、分子内に、水酸基、及びチオール基から選ばれる活性水素を持つ基を2つ有する化合物である。そのため、前記ウレタンプレポリマー(B)を構成する前記(C1)成分が具体的に挙げられる。
前記2官能活性水素含有化合物(CH)は、具体的な化合物は、前記(C1)成分が挙げられるが、その役割から、平均分子量が60〜500であるものが好ましく、90〜300であるものが好ましい。すなわち、前記2官能活性水素含有化合物(CH)は、得られるウレタン樹脂の分子量・架橋度を調整することができる。そのため、前記平均分子量のものが好ましい。
その中でも、特に好適な2官能活性水素含有化合物(CH)を例示すると、ジオール化合物が好ましい。ジオール化合物としては、例えば、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ブチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ペンタエチレングリコール、ヘキサエチレングリコール、ジプロピレングリコール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−ジヒドロキシオクタン、1,9−ジヒドロキシノナン、1,10−ジヒドロキシデカン、1,11−ジヒドロキシウンデカン、1,12−ジヒドロキシドデカン、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ジヒドロキシペンタン、2−エチル−1,2−ジヒドロキシヘキサン、2−メチル−1,3−ジヒドロキシプロパン等の2官能活性水素含有化合物(ジオール化合物)が挙げられる。
(好適な配合割合(2官能活性水素含有化合物(CH)を含む場合))
前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数をns2とし、多官能活性水素含有化合物(C2)が有する活性水素を持つ基の総モル数をn3とし、前記2官能活性水素含有化合物(CH)が有する活性水素を持つ基の総モル数をnhとしたとき、各成分の量比は以下のようになることが好ましい。n1:ns2:n3:nh=100:8〜96:8〜102:4〜96であり、さらに、ns2:n3:nhの各成分の量比が、ns2:n3:nh=1:0.1〜12.5:0.1〜7.5となる範囲にあることが好ましい。また、n1:ns2:n3:nh=100:12〜84:12〜96:4〜60であり、さらに、ns2:n3:nhの各成分の量比が、ns2:n3:nh=1:0.2〜10:0.2〜5あることが好ましい。
この範囲で各成分が配合されることで、成型性に優れたウレタン樹脂とすることができる。さらには、得られたウレタン樹脂は優れた耐摩耗性を発現させることができる。
本発明において、前記重合性組成物は、特に制限されるものではないが、質量割合で示すと、以下の配合割合からなることが好ましい。すなわち、前記ポリロタキサン(A)が得られるウレタン樹脂中に以下の配合割合で含まれていることが好ましい。前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部とすることが好ましい。この範囲を満足することにより、前記ポリロタキサン(A)が有する効果を十分に発揮することができる。より優れた特性を有するウレタン樹脂とするためには、前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を150〜1000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を4〜100質量部、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を5〜100質量部とすることがより好ましい。
また、中でも、耐スクラッチ性という効果を発揮するためには、前記多官能活性水素含有化合物(C2)と前記2官能活性水素含有化合物(CH)とは、前記多官能活性水素含有化合物(C2)100質量部当り、前記2官能活性水素含有化合物(CH)が5〜10000質量部であることが好ましく、8〜3000質量部であることがより好ましく、10〜1000質量部となることがさらに好ましい。
本発明のウレタン樹脂は、該重合性組成物が前記ウレタンプレポリマー(B2)と、前記ポリロタキサン(A)と、前記多官能活性水素含有化合物(C2)とを含む組成物を反応させて得られるものである。この反応を行う際に、本発明においては、該重合性組成物に、活性水素を持つ基を分子内に2つ以上有し、かつ前記ポリロタキサン(A)および前記多官能活性水素含有化合物(C2)とは異なる化合物を配合することができる。具体的には、上記条件を満足するアミノ基含有化合物(CA)である。
次にアミノ基を有する化合物を例示する。
(アミノ基含有化合物(CA))
本発明において、前記重合性組成物は、分子内に少なくとも1つのアミノ基を有し、活性水素を持つ基の合計数が2つ以上であるアミノ基含有化合物(CA)(以下、単に「(CA)成分」又は「アミノ基含有化合物(CA)」とする場合もある)をさらに配合することもできる。当然のことながら、このアミノ基含有化合物(CA)は、前記ポリロタキサン(A)および前記多官能活性水素含有化合物(C2)とは異なる化合物である。
該アミノ基含有化合物(CA)は、1級、または2級のアミノ基を有する化合物も用いることができる。このような、アミノ基含有化合物(CA)を使用することにより、得られるウレタン樹脂が、ウレア結合を有するウレタンウレア樹脂となる。このウレア結合は、その結合同士が水素結合により疑似的な架橋構造を形成したり、ウレア結合部とウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート基と反応(重合)して架橋構造をとることができる。そのため、得られるウレタン樹脂の機械的強度を向上させるのに有用である。また、アミノ基含有化合物(CA)において、分子内にアミノ基が2つ存在するアミノ基含有化合物は、上記(C1)成分としても使用できる。
本発明において、アミノ基含有化合物(CA)が分子内に有するアミノ基の数は、1つ以上であれば特に制限されるものではない。中でも、得られるウレタン樹脂の製造のし易さ、効果等を勘案すると、2〜6個であることが好ましく、2〜4個であることがより好ましく、2〜3個であることがさらに好ましく、2個であることが特に好ましい。
アミノ基含有化合物(CA)の活性水素を持つ基の合計数は、好ましくは2〜6であり、より好ましくは2〜4である。
アミノ基含有化合物(CA)は、1種を単独で用いてもよいし、複数を併用してもよいが、数平均分子量が60〜1,000のアミノ基含有化合物を含むことが好ましい。これにより、ウレタン樹脂の機械的強度を向上させることができる。このような観点から、該数平均分子量は、80〜800が好ましく、100〜500がより好ましい。
このようなアミノ基含有化合物(CA)は、脂肪族アミン、脂環族アミン、芳香族アミン、複合型アミノ基含有化合物、ポリアミン化合物に分類される。これらの中でも、芳香族アミンが好ましい。アミノ基含有化合物(CA)の具体例としては、以下の化合物を挙げることができる。
((CA)成分;脂肪族アミン)
エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ウンデカンメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、メタキシレンジアミン、1,3−プロパンジアミン、プトレシン等の2官能活性水素含有化合物、ジエチレントリアミン等の多官能活性水素含有化合物。
((CA)成分;脂環族アミン)
イソホロンジアミン、シクロヘキシルジアミン等の2官能活性水素含有化合物。
((CA)成分;芳香族アミン)
4,4’−メチレンビス(o−クロロアニリン)(MOCA)、2,6−ジクロロ−p−フェニレンジアミン、4,4’−メチレンビス(2,3−ジクロロアニリン)、4,4’−メチレンビス(2−エチル−6−メチルアニリン)、3,5−ビス(メチルチオ)−2,4−トルエンジアミン、3,5−ビス(メチルチオ)−2,6−トルエンジアミン、3,5−ジエチルトルエン−2,4−ジアミン、3,5−ジエチルトルエン−2,6−ジアミン、トリメチレングリコール−ジ−p−アミノベンゾエート、ポリテトラメチレングリコール−ジ−p−アミノベンゾエート、4,4’−ジアミノ−3,3’,5,5’−テトラエチルジフェニルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジイソプロピル−5,5’−ジメチルジフェニルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’,5,5’−テトライソプロピルジフェニルメタン、1,2−ビス(2−アミノフェニルチオ)エタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジエチル−5,5’−ジメチルジフェニルメタン、N,N’−ジ−sec−ブチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、m−キシリレンジアミン、N,N’−ジ−sec−ブチル−p−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−キシリレンジアミン、p−フェニレンジアミン、3,3’−メチレンビス(メチル−6−アミノベンゾエート)、3,5−ジアミノ−4−クロロ安息香酸−2−メチルプロピル、3,5−ジアミノ−4−クロロ安息香酸−イソプロピル、2,4−ジアミノ−4−クロロフェニル酢酸−イソプロピル、テレフタル酸−ジ−(2−アミノフェニル)チオエチル、ジフェニルメタンジアミン、トリレンジアミン、ピペラジン等の等の2官能活性水素含有化合物、又は1,3,5−ベンゼントリアミン、メラミン等の多官能活性水素含有化合物。
(CA)成分 複合型アミノ基含有化合物)
アミノ基含有化合物(CA)には、複合型アミノ基含有化合物も使用できる。複合型アミノ基含有化合物とは、分子中にアミノ基と水酸基を持つ基を有するものであり、その具体例としては、以下の化合物を挙げることができる。
((CA)成分;OH/アミノ基型化合物)
モノエタノールアミン、及び、モノプロパノールアミン等の2官能活性水素含有化合物。
ジエタノールアミン、及び、2−(2−アミノエチルアミノ)エタノール等の多官能活性水素含有化合物。これらはアミノ基含有化合物(CA)にも含まれるものとする。なお、当然のことながら、これら化合物において、アミノ基の活性水素のモル数はアミノ基と等しいものと考え、活性水素のモル数は、アミノ基のモル数と水酸基のモル数の合計モル数と考える。
以上(CA)成分は、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、前記のアミノ基含有化合物(CA)において、アミノ基(−NH)は厳密に言えば活性水素を2個有している。ただし、本発明においては、アミノ基の活性水素の反応性を考え、該アミノ基を有する化合物の活性水素のモル数は、アミノ基のモル数と等しいものとする。アミノ基とイソ(チオ)シアネート基との反応は、アミノ基における1つの活性水素と1つのイソ(チオ)シアネート基とが反応して、先ず、ウレア結合・チオウレア結合を形成する。そして、この結合(−NHCONH−、−NHCSNH−)における活性水素は、高温でなければ、例えば、150℃以上の温度としなければ、次の反応に関与しない。そのため、本発明においては、実質的に、1モルのイソ(チオ)シアネート基と1モルのアミノ基(アミノ基における1モルの活性水素)とが反応することになる。したがって、本発明においては、該アミノ基含有化合物(CA)のようなアミノ基を有する化合物を使用した場合には、該アミノ基を有する化合物の活性水素のモル数は、アミノ基のモル数(活性水素を持つ基のモル数)と等しいものとする。また、当然のことではあるが、イソ(チオ)シアネート基と反応する第2級アミン基(例えば、−NHR)を有するアミノ基含有化合物(CA)の場合も、該アミノ基を有する化合物の活性水素のモル数は、アミノ基のモル数と等しいものとする。
(重合性組成物の好適な配合割合(アミノ基含有化合物(CA)を含む場合))
前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、前記ポリロタキサン(A)が有する活性水素を持つ全基の総モル数をn2とし、多官能活性水素含有化合物(C2)が有する活性水素を持つ基の総モル数をn3とし、前記アミノ基含有化合物(CA)が有する、アミノ基を含む活性水素を持つ基の総モル数をn4としたとき、各成分の量比が、以下の割合となることが好ましい。n1:n2:n3:n4=100:8〜192:8〜102:4〜96であり、さらに、n2:n3:n4の各成分の量比が、n2:n3:n4=1:0.1〜12.5:0.1〜7.5となる範囲にあることが好ましく、n1:n2:n3:n4=100:12〜168:12〜96:4〜60であることが好ましい。さらに、n2:n3:n4の各成分の量比が、n2:n3:n4=1:0.2〜10:0.1〜5あることが好ましい。なお、前記n2は、前記ポリロタキサン(A)における、側鎖が有する活性水素を持つ基、および環状分子が有する活性水素を持つ基の合計モル数と同義である。
また、得られるウレタン樹脂において、前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数をns2とし、多官能活性水素含有化合物(C2)が有する活性水素を持つ基の総モル数をn3とし、前記アミノ基含有化合物(CA)が有するアミノ基を含む活性水素を持つ基の総モル数をn4としたとき、各成分の量比が以下の配合割合となることが好ましい。n1:ns2:n3:n4=100:8〜96:8〜102:4〜96であることが好ましく、n1:ns2:n3:n4=100:12〜84:12〜96:4〜60であることが好ましい。さらに、ns2:n3:n4の各成分の量比が、ns2:n3:n4=1:0.2〜12.5:0.2〜7.5あることが好ましい。ns2:n3:n4の各成分の量比が、ns2:n3:n4=1:0.2〜8:0.2〜5となる範囲にあることが好ましい。なお、前記ns2は、ポリロタキサン(A)における、側鎖が有する活性水素を持つ基のみの総モル数である。そして、ns2には、前記ポリロタキサン(A)の環状分子が有する活性水素を持つ基のモル数は含まれない。
以上の範囲で各成分が配合されることで、優れた耐摩耗性を発現させることができる。
本発明において、前記前記アミノ基含有化合物(CA)を含む前記重合性組成物は、特に制限されるものではないが、質量割合で示すと、以下の配合割合からなることが好ましい。すなわち、前記ポリロタキサン(A)が得られるウレタン樹脂中に以下の配合割合で含まれていることが好ましい。前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、前記アミノ基含有化合物(CA)を5〜200質量部とすることが好ましい。この範囲を満足することにより、前記ポリロタキサン(A)が有する効果を十分に発揮することができる。
より優れた特性を有するウレタン樹脂とするためには、前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を150〜1000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を3〜100質量部、前記アミノ基含有化合物(CA)を5〜100質量部とすることがより好ましい。
また、中でも、前記多官能活性水素含有化合物(C2)と前記アミノ基含有化合物(CA)とは、前記多官能活性水素含有化合物(C2)100質量部当り、前記アミノ基含有化合物(CA)が2.5〜10000質量部であることが好ましく、5〜3000質量部であることがより好ましく、50〜1000質量部となることがさらに好ましい。
本発明のウレタン樹脂は、該重合性組成物が前記ウレタンプレポリマー(B2)と、前記ポリロタキサン(A)と、前記多官能活性水素含有化合物(C2)とを含む組成物を反応させて得られるものである。この反応を行う際に、本発明においては、該重合性組成物に、前記アミノ基含有化合物(CA)、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を配合することができる。
(好適な配合割合(前記アミノ基含有化合物(CA)、及び2官能活性水素含有化合物(CH)を含む場合))
前記ウレタンプレポリマー(B2)が有するイソ(チオ)シアネート基の総モル数をn1とし、
前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数をns2とし、
前記多官能活性水素含有化合物(C2)が有する活性水素を持つ基の総モル数をn3とし、
前記アミノ基含有化合物(CA)が有する、アミノ基を含む活性水素を持つ基の総モル数をn4とし、
前記2官能活性水素含有化合物(CH)が有する活性水素を持つ基の総モル数をnhとしたとき、各成分の量比は、以下のようになることが好ましい。n1:ns2:n3:n4:nh=100:8〜96:8〜96:4〜90:4〜90であり、さらに、ns2:n3:n4:nhの各成分の量比が、ns2:n3:n4:nh=1:0.1〜12:0.1〜7.5:0.1〜7.5となる範囲にあることが好ましい。また、n1:ns2:n3:n4:nh=100:10〜84:10〜90:4〜30:4〜30であり、さらに、ns2:n3:n4:nhの各成分の量比が、n2:n3:n4:nh=1:0.2〜10:0.2〜3:0.2〜3あることが好ましい。
この範囲で各成分が配合されることで、成型性に優れたウレタン樹脂とすることができる。さらには、得られたウレタン樹脂は優れた耐摩耗性を発現させることができる。
本発明において、前記前記アミノ基含有化合物(CA)を含む前記重合性組成物は、特に制限されるものではないが、質量割合で示すと、以下の配合割合からなることが好ましい。すなわち、前記ポリロタキサン(A)が得られるウレタン樹脂中に以下の配合割合で含まれていることが好ましい。前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、前記アミノ基含有化合物(CA)を3〜200質量部、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部とすることが好ましい。この範囲を満足することにより、前記ポリロタキサン(A)が有する効果を十分に発揮することができる。
より優れた特性を有するウレタン樹脂とするためには、前記重合性組成物は、前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、前記ウレタンプレポリマー(B2)を150〜1000質量部、前記多官能活性水素含有化合物(C2)を3〜100質量部、前記アミノ基含有化合物(CA)を5〜100質量部、及び前記2官能活性水素含有化合物(CH)を5〜100質量部とすることが好ましい。
また、中でも、耐スクラッチ性という効果を発揮するためには、前記多官能活性水素含有化合物(C2)、及び前記アミノ基含有化合物(CA)が、前記多官能活性水素含有化合物(C2)100質量部当り、前記2官能活性水素含有化合物(CH)が2〜5000質量部であり、前記アミノ基含有化合物(CA)が2〜5000質量部であることが好ましい。さらには、前記多官能活性水素含有化合物(C2)、及び前記アミノ基含有化合物(CA)が、前記多官能活性水素含有化合物(C2)100質量部当り、前記2官能活性水素含有化合物(CH)が5〜1000質量部であり、前記アミノ基含有化合物(CA)が5〜1000質量部であることがより好ましい。
(ウレタン樹脂の製造方法)
本発明のウレタン樹脂は、前記ポリロタキサン(A)、前記ウレタンプレポリマー(B2)、及び多官能活性水素含有化合物(C2)を少なくとも含む重合性組成物を重合して得られるものである。該重合性組成物は、前記2官能活性水素含有化合物(CH)、および/又は前記アミノ基含有化合物(CA)を含んでもよい。さらに、本発明において、前記重合性組成物は、前記の5成分に加えて、その他の成分を配合することもできる。重合に関与する成分としては、前記ウレタンプレポリマー(B2)成分を製造するのに用いた2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)も用いることが出来る。ただし、反応を制御し易くするためには、前記ポリロタキサン(A)、前記ウレタンプレポリマー(B2)、及び前記多官能活性水素含有化合物(C2)を含む重合性組成物、又は、該重合性組成物が前記2官能活性水素含有化合物(CH)、および/又は前記アミノ基含有化合物(CA)を含むものを使用することが好ましい。
(重合性組成物の重合方法)
本発明において、まず、前記重合性組成物を重合させればよい。重合の方法は、特に制限されるものではなく、活性水素を持つ基を有する化合物とイソ(チオ)シアネート基を有する化合物とを重合してポリウレタン樹脂を得る、通常の方法を採用することができる。
本発明において、重合方法を例示すれば、(B2)成分と(A)成分、及び(C2)成分とを混合して、反応させればよい。(CA)成分を含む場合は、(B2)成分と(A)成分、(C2)成分、及び(CA)成分を混合し、反応させればよい。また、活性水素を持つ基を有する化合物は予め混合した後、イソ(チオ)シアネート基を有する化合物と反応させてもよい。本発明では、活性水素を持つ基を有する(A)成分、(C2)成分、及び、(CA)成分は、予め混合し、(B2)成分と反応させることも出来る。
また、用いる化合物の融点や粘度により、混合前に加温したものを準備し、混合し、重合してもよい。加温する温度は、加温する温度を適宜決定すればよいが、40〜150℃の範囲で加温するのが好ましい。
(得られるウレタン樹脂の特性、および添加剤)
本発明のウレタン樹脂は、樹脂中に細孔を設けることが出来る。その際は、公知で知られている発泡方法等を何ら制限なく用いることが可能である。それらの方法を例示すれば、低沸点炭化水素等の揮発性の発泡剤や、水などを添加する発泡剤発泡法、中空粒子(マイクロバルーン)を分散硬化させる方法、熱膨張性の微粒子を混合したのち加熱し微粒子を発泡させる方法、または混合中に空気や窒素等の不活性ガスを吹き込むメカニカルフロス発泡法が例示できる。発泡させた場合、ウレタン樹脂の密度は、0.4〜0.9g/cmであることが好ましい。また、水発泡の場合、イソ(チオ)シアネート基と反応した後、二酸化炭素とアミノ基となり、そのアミノ基がさらにイソ(チオ)シアネート基と反応しウレア結合・チオウレア結合を形成する。よって、本発明では、水を添加剤に用いた際には、水は活性水素を二つ有しているものとする。
<中空粒子を含むウレタン樹脂>
本発明においては、ウレタン樹脂を製造する際の重合性組成物は、中空粒子を含むことが好ましい。すなわち、前記中空粒子を含む重合性組成物を重合硬化して、中空粒子を含むウレタン樹脂を製造することが好ましい。
該中空粒子(マイクロバルーン)は、公知のものを何ら制限なく使用することが出来る。具体例を示せば、塩化ビニリデン樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、アクリルニトリルと塩化ビニリデンとの共重合体、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ウレタン系樹脂等の該微小中空体を使用できる。中でも、該中空粒子(マイクロバルーン)は、ウレタン系樹脂からなることが好ましく、具体的には、ウレタン系樹脂からなる外殻部と、該外殻部に囲まれた中空部とから構成される微小中空体であることが好ましい。該ウレタン系樹脂とは、ウレタン結合、および/又はウレア結合を有する樹脂である。この中空粒子を使用した場合には、効率よく、容易に、均一な発泡体を製造でき、スクラッチ等の欠陥が出にくくなり、さらにヒステリシスロスも低減される。
さらに、該中空粒子は、親水性基を有していてもよい。例えば、本発明のウレタン樹脂を研磨用パッド材として用いる場合、該中空粒子が親水性基を有していれば、研磨スラリーとの相溶性を向上させることが可能となり、研磨特性を向上させることが可能となる。該親水性基としては、水酸基、チオール基、または、イオン性基(カルボキシルイオン、スルホン酸イオン、リン酸イオン、ホスホン酸イオン、及び第4級アンモニウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンを形成し得る基)等が挙げられる。
該中空粒子の平均粒子径は、特に制限されるものではないが、以下の範囲であることが好ましい。具体的には、1μm〜500μmであることが好ましく、5μm〜200μmであることがより好ましい。
また、該中空粒子の密度も、特に制限されるものではないが、以下の範囲であることが好ましい。具体的には、0.01g/cm〜0.5g/cmであることが好ましく、0.02g/cm〜0.3g/cmであることがより好ましい。なお、前記密度は、膨張した際の中空粒子の密度である。未膨張タイプの粒子であり、硬化性組成物と混合し、硬化させる際の熱によって膨張する中空粒子であれば、膨張した際の密度が、上記の密度であることが好ましい。
該中空粒子の配合量は、目的とする用途に応じて適宜決定すればよい。すなわち、必須成分ではないため、含まれないともよい。そのため、前記重合性組成物に、前記ポリロタキサン(A)100質量部に対して、0.1質量部以上50質量部以下とすることが好ましい。ただし、該中空粒子を配合することにより、より一層、優れた効果を発揮するため、以下の配合量とすることが特に好ましい。ポリロタキサン(A)100質量部に対して、0.5質量部以上50質量部以下とすることが好ましく、0.5質量部以上40質量部以下とすることがより好ましく、0.5質量部以上20質量部以下とすることがさらに好ましい。
また、中空粒子を含む場合、各モノマー成分の合計量に対して、中空粒子は以下の配合量となることが好ましい。なお、各モノマー成分の合計量とは、(B2)成分、(A)成分、および(C2)成分の合計量を指す。また、必要に応じて配合される(CH)成分、および/または(CA)成分を含む場合には、(B2)成分、(A)成分、および(C2)成分の合計量に、さらに、必要に応じて配合される(CH)成分、および/または(CA)成分の配合量を加えた合計量である。中空粒子の配合量は、各モノマー成分の合計量100質量部に対して、0.001質量部以上20質量部以下とすることが好ましい。さらには、中空粒子を配合することにより、より一層、優れた効果を発揮するため、以下の配合量とすることが特に好ましい。具体的には、各モノマー成分の合計量100質量部に対して、0.02質量部以上20質量部以下とすることが好ましく、0.03質量部以上10質量部以下とすることが好ましい。
(得られるウレタン樹脂のその他の特性・配合剤)
本発明のウレタン樹脂は、その優れた機械特性から研磨用パッドに使用できる。また、本発明のウレタン樹脂は、任意の適当な硬さを有することができる。硬さは、ショアー(Shore)法に従って測定することができ、例えば、JIS規格(硬さ試験)K6253に従って測定することができる。本発明のウレタン樹脂は、20A〜90Dのショアー硬さを有することが好ましい。本発明に用いる、一般的な研磨材用ポリウレタン樹脂のショアー硬さは、30A〜70Dであることが好ましく、40A〜50Dであることがさらに好ましい(「A」はショアー「A」スケールを、「D」はショアー「D」スケールでの硬さを示している)。すなわち、本発明のウレタン樹脂は、好ましくはショアーA硬度で20以上、より好ましくはショアーA硬度で30以上、さらに好ましくはショアーA硬度で40以上であり、そして、好ましくはショアーD硬度で90以下、より好ましくはショアーD硬度で70以下、さらに好ましくはショアーD硬度で50以下である。硬さは、必要に応じて配合組成、及び配合量を変えることにより、任意の硬さを有すればよい。
また、本発明のポリウレタン樹脂は、ある範囲に圧縮率があることが被研磨物の平坦性を発現させる上で好ましい。圧縮率は、例えば、JISL 1096に準拠した方法により測定することが可能である。本発明のウレタン樹脂の圧縮率は、0.5%〜50%であることが好ましい。上記範囲内であることで、優れた被研磨物の平坦性を発現させることが可能となる。
また、本発明のポリウレタン樹脂は、低ヒステリシスロス性または優れた弾性回復性を有することにより、研磨用パッドとして使用した場合、被研磨物の平坦性、及び高い研磨レートを発現させることができる。ヒステリシスロスは、例えば、JISK 6251に準拠した方法で測定できる。具体的には、ダンベル状に準備した試験片を、100%伸長した後、元に戻すことで、ヒステリシスロス(伸長し、元に戻した際の伸びと応力の面積/伸長した際の伸びと応力の面積×100)を測定できる。
本発明のウレタン樹脂において、特に制限されるものではないが、ヒステリシスロスは、60%以下となることが好ましく、50%以下となることがより好ましく、40%以下となることがさらに好ましい。ヒステリシスロスが低くなることにより、研磨用パッドとして使用し場合に、砥粒の運動エネルギーを均一に被研磨物の研磨に利用できると推察されるため、優れた平坦性、高い研磨レートを発現することが可能となる。さらに、ヒステリシスロスが低くなることで、柔らかいパッドにおいても、優れた研磨レートを発現できるものと考えられる。
また、本発明のウレタン樹脂は、複数の層から形成される研磨層を備えていてもよい。例えば、本発明のウレタン樹脂が2層からなる場合、前記研磨層は、研磨を行う際に被研磨物と接触する研磨面を有する第1層と、前記第1層の研磨面に相対する面で前記第1層と接する第2層を用いてもよい。この場合、第2層が第1層と違う硬度や弾性率を持つことで、第1層の物性を調整することも可能となる。例えば、第1層の硬度と第2層の硬度を変えることにより、被研磨物の研磨性を調整させることが可能となる。
また、本発明のウレタン樹脂は、構成要素として、内部に砥粒を含有させて、いわゆる固定砥粒ウレタン樹脂としてもよい。砥粒としては、例えば、酸化セリウム、酸化珪素、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、酸化鉄、二酸化マンガン、酸化チタン及びダイヤモンドから選択される材料からなる粒子、又はこれら材料からなる二種以上の粒子等が挙げられる。さらに、これらの砥粒は、表面を修飾したものも使用できる。例えば、本発明のウレタン樹脂を研磨パッドとして用いる場合、表面に親水性基を修飾した砥粒を用いることで、研磨中スラリーや水との相溶性が向上し、研磨特性を向上させることが可能となる。該親水性基としては、水酸基、チオール基、または、イオン性基(カルボキシルイオン、スルホン酸イオン、リン酸イオン、ホスホン酸イオン、及び第4級アンモニウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンを形成し得る基)等が挙げられる。また、これら砥粒の保有方法は、特に限定されないが、例えば上記重合組成物に分散させた後に、該重合組成物を硬化させることで、ウレタン樹脂内部に保有することができる。
その他にも、本発明のウレタン樹脂には、重合触媒、酸化防止剤などの安定剤、紫外線吸収剤、界面活性剤、難燃剤、可塑剤、顔料、充填剤、帯電防止剤、整泡剤、その他の添加剤を加えてもよい。これらの添加剤は単独で用いても2種以上を併用してもよい。これら添加剤は、重合性組成物に含有させ、該重合性組成物を重合することにより、研磨用ウレタン樹脂中に含有させることができる。
本発明のウレタン樹脂は、特に制限されるものではないが、その表面に溝構造を形成することもできる。該溝構造は、被研磨部材を研磨する際に、スラリーを保持・更新する形状であれば特に限定されるものではなく、例えば、X(ストライプ)溝、XY格子溝、同心円状溝、貫通孔、貫通していない穴、多角柱、円柱、螺旋状溝、偏心円状溝、放射状溝、およびこれらの溝を組み合わせたものが挙げられる。
上記溝構造の作製方法は特に限定されるものではないが、例えば、所定サイズのバイトのような治具を用い機械切削する方法、所定の表面形状を有した金型に樹脂を流しこみ、硬化させることにより作製する方法、所定の表面形状を有したプレス板で樹脂をプレスし作製する方法、フォトリソグラフィを用いて作製する方法、印刷手法を用いて作製する方法、炭酸ガスレーザーなどを用いたレーザー光による作製方法などが挙げられる。
本発明のウレタン樹脂は、例えば不織布に本発明のウレタン樹脂を含浸させ、その後硬化して得られる不織布ウレタン樹脂研磨パッドとしても用いることもできる。また、本発明のウレタン樹脂は、上述した研磨パッドの他にも、緩衝材、制振材料、吸音材料等に用いることも可能である。さらに、本発明で使用する重合性組成物を、不織布に塗布あるいは含浸後、硬化させることで、前述した不織布研磨パッドや、緩衝材、制振材料、吸音材料用途に適用することも可能である。
次に、実施例及び比較例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において、評価方法等は、以下のとおりである。
(使用したポリロタキサン(A))
RX−1:側鎖にヒドロキシル基を有する側鎖の分子量が平均で約350、重量平均分子量が200000、水酸基価が87mgKOH/gのポリロタキサン。
RX−2:側鎖にヒドロキシル基を有する側鎖の分子量が平均で約650、重量平均分子量が350000、水酸基価が55mgKOH/gのポリロタキサン。
この水酸基価の値から、ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基の総モル数(ns2)を求めることができる。
(分子量測定;ゲルパーミネーションクロマトグラフィー(GPC測定))
GPCの測定は、装置として液体クロマトグラフ装置(日本ウォーターズ社製)を用いた。カラムは分析するサンプルの分子量に応じて、昭和電工株式会社製Shodex GPC KF−802(排除限界分子量:5000)、KF802.5(排除限界分子量:20000)、KF−803(排除限界分子量:70000)、KF−804(排除限界分子量:400000)、KF−805(排除限界分子量:2000000)を適宜使用した。また、展開液としてジメチルホルムアミド(DMF)を用い、流速1ml/min、温度40℃の条件にて測定した。標準試料にポリスチレンを用い、比較換算により重量平均分子量を求めた。なお、検出器には示差屈折率計を用いた。
(水酸基価測定)
JIS K0070に準ずる測定方法により水酸基価を求めた。
<使用したポリロタキサン(A)の製造方法>
製造例(RX−1の製造)
(1−1)PEG−COOHの調製;
軸分子形成用のポリマーとして、分子量10,000の直鎖状ポリエチレングリコール(PEG)を用意した。
下記処方;
PEG 10g、
TEMPO (2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシラジカル)100mg
臭化ナトリウム 1g
を準備し、各成分を水100mLに溶解させた。この溶液に、市販の次亜塩素酸ナトリウム水溶液(有効塩素濃度5%)5mLを添加し、室温で10分間撹拌した。その後、エタノールを最大5mLまでの範囲で添加して反応を終了させた。そして、50mLの塩化メチレンを用いた抽出を行った後、塩化メチレンを留去し、250mLのエタノールに溶解させてから、−4℃の温度で12時間かけて再沈させ、PEG−COOHを回収し、乾燥した。
(1−2)ポリロタキサンの調製;
上記で調製されたPEG−COOH 3gおよびα−シクロデキストリン(α−CD)12gを、それぞれ、70℃の温水50mLに溶解させ、得られた各溶液を混合し、よく振り混ぜた。次いで、この混合溶液を、4℃の温度で12時間再沈させ、析出した包接錯体を凍結乾燥して回収した。その後、室温でジメチルホルムアミド(DMF)50mlに、アダマンタンアミン0.13gを溶解した後、上記の包接錯体を添加して速やかによく振り混ぜた。続いてBOP試薬(ベンゾトリアゾール−1−イル−オキシ−トリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロホスフェート)0.38gをDMFに溶解した溶液をさらに添加して、よく振り混ぜた。さらにジイソプロピルエチルアミン0.14mlをDMFに溶解させた溶液を添加してよく振り混ぜてスラリー状の試薬を得た。
上記で得られたスラリー状の試薬を4℃で12時間静置した。その後、DMF/メタノール混合溶媒(体積比1/1)50mlを添加、混合、遠心分離を行なって上澄みを捨てた。さらに、上記DMF/メタノール混合溶液による洗浄を行った後、メタノールを用いて洗浄、遠心分離を行い、沈殿物を得た。得られた沈殿物を真空乾燥で乾燥させた後、50mLのDMSO(ジメチルスルオキシド)に溶解させ、得られた透明な溶液を700mLの水中に滴下してポリロタキサンを析出させた。析出したポリロタキサンを遠心分離で回収し、真空乾燥させた。さらにDMSOに溶解、水中で析出、回収、乾燥を行い、精製ポリロタキサンを得た。このときのα−CDの包接数は0.25である。
ここで、包接数は、DMSO−dにポリロタキサンを溶解し、H−NMR測定装置(日本電子製JNM−LA500)により測定し、以下の方法により算出した。
ここで、X,Y及びX/(Y−X)は、以下の意味を示す。
X:4〜6ppmのシクロデキストリンの水酸基由来プロトンの積分値。
Y:3〜4ppmのシクロデキストリン及びPEGのメチレン鎖由来プロトンの積分値。
X/(Y−X):PEGに対するシクロデキストリンのプロトン比
先ず、理論的に最大包接数1の時のX/(Y−X)を予め算出し、この値と実際の化合物の分析値から算出されたX/(Y−X)を比較することにより包接数を算出した。
(1−3)ポリロタキサンへの側鎖の導入;
上記で精製されたポリロタキサン500mgを1mol/LのNaOH水溶液50mLに溶解し、プロピレンオキシド3.83g(66mmol)を添加し、アルゴン雰囲気下、室温で12時間撹拌した。次いで、1mol/LのHCl水溶液を用い、上記のポリロタキサン溶液を、pHが7〜8となるように中和し、透析チューブにて透析した後、凍結乾燥し、ヒドロキシプロピル化ポリロタキサンを得た。得られたヒドロキシプロピル化ポリロタキサンは、H−NMRおよびGPCで同定し、所望の構造を有するヒドロキシプロピル化ポリロタキサンであることを確認した。
なお、ヒドロキシプロピル基による環状分子のOH基への修飾度は0.5であり、GPC測定により重量平均分子量Mw:50,000であった。
得られたヒドロキシプロピル化ポリロタキサン5gを、ε−カプロラクトン15gに80℃で溶解させた混合液を調製した。この混合液を、乾燥窒素をブローさせながら110℃で1時間攪拌した後、2−エチルヘキサン酸錫(II)の50wt%キシレン溶液0.16gを加え、130℃で6時間攪拌した。その後、キシレンを添加し、不揮発濃度が約35質量%の側鎖を導入したポリカプロラクトン修飾ポリロタキサンキシレン溶液を得た。
(1−4)OH基導入側鎖修飾ポリロタキサン(RX−1;本発明で使用するポリロタキサン(A)に該当)の調製;
上記で調製されたポリカプロラクトン修飾ポリロタキサンキシレン溶液をヘキサン中に滴下し、回収し、乾燥することにより、側鎖の末端としてOH基を有する側鎖修飾ポリロタキサン(RX−1)を得た。
このポリロタキサン(A);RX−1の物性は以下の通りであった。
ポリロタキサン重量平均分子量Mw(GPC):200,000。
水酸基価:87mgKOH/g。
側鎖の修飾度:0.5(%で表示すると50%となる)。
側鎖の分子量:平均で約350。
側鎖の末端に水酸基を有するポリロタキサン(A)である。
α−CDの包接数;0.25である。
<RX−2の製造>
ε−カプロラクトンを30gとした以外はRX−1と同様に調整し、RX−2を得た。このポリロタキサン(RX−2)の物性は以下の通りであった。
側鎖の修飾度:0.5(50%)。
側鎖の分子量:平均で約650。
ポリロタキサン重量平均分子量Mw(GPC):350000。
水酸基価:55mgKOH/g。
側鎖の末端に水酸基を有するポリロタキサン(A)である。
α−CDの包接数は0.25である。
<ウレタンプレポリマー(B2)>
以下の表1に示すウレタンプレポリマー(B2)を準備した。
Figure 2019198675
<ウレタンプレポリマー(B2)の製造例>
製造例 Pre−1の製造例
窒素導入管、温度計、攪拌機を備えたフラスコに窒素雰囲気下中、2,4−トリレンジイソシアネート50gとポリオキシテトラメチレングリコール(数平均分子量;1000)32gと1,4−ブタンジオール10gを、80℃で8時間反応させ、イソ(チオ)シアネート当量が319の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−1を得た)。
製造例 Pre−2の製造例
窒素導入管、温度計、攪拌機を備えたフラスコに窒素雰囲気下中、2,4−トリレンジイソシアネート1000gとポリオキシテトラメチレングリコール(数平均分子量;1000)1800gを窒素雰囲気下中、70℃で4時間反応させた。その後、ジエチレングリコール240gを加え、さらに70℃、4時間反応させ、イソ(チオ)シアネート当量が905の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−2を得た)。
製造例 Pre−3の製造例
ジエチレングリコール130gを使用した以外は、製造例 Pre−2と同様の方法を行い、イソ(チオ)シアネート当量が539の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−3を得た)。
製造例 Pre−4の製造例
ポリオキシテトラメチレングリコール(数平均分子量;1000)2300gを使用した以外は、製造例 Pre−2と同様の方法を行い、イソ(チオ)シアネート当量が1500の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−4を得た)。
製造例 Pre−5の製造例
ポリオキシテトラメチレングリコール(数平均分子量;1000)1500gを使用し、ジエチレングリコール50g使用した以外は、製造例 Pre−2と同様の方法を行い、イソシアネート当量が338の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−5を得た)。
製造例 Pre−6の製造例
ポリオキシテトラメチレングリコール(数平均分子量;1000)2500gを使用し、ジエチレングリコール250gを使用した以外は、製造例 Pre−2と同様の方法を行い、イソシアネート当量が2116の末端イソシアネートウレタンプレポリマーを得た(Pre−6を得た)。
<多官能活性水素含有化合物(C2)>
TMP:トリメチロールプロパン。
Polyether4000:旭硝子株式会社製EXENOL4030(数平均分子量が4000で水酸基を3個有数ポリエーテルポリオール)。
di-TMP:ジトリメチロールプロパン 。
グリセリン。
ソルビトール。
PEG−PPG:数平均分子量が3000で、水酸基を3個有するポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールのブロック共重合体。
<アミノ基含有化合物(CA)>
MOCA:4,4’−メチレンビス(o−クロロアニリン)、数平均分子量267。
DMTDA:ビス(メチルチオ)−2,4−トルエンジアミン、及びビス(メチルチオ)−2,6−トルエンジアミンの混合物、数平均分子量214。クミアイ化学工業株式会社製のハートキュア30。
IACB:3,5−ジアミノ−4−クロロ安息香酸2−メチルプロピル、数平均分子量243。
<2官能活性水素含有化合物(CH)>
PTMG650:ポリテトラメチレングリコール(数平均分子量650)。
PTMG1000:ポリテトラメチレングリコール(数平均分子量1000)。
1,4―BuOH:1,4−ブタンジオール。
DEG:ジエチレングリコール。
PEG400:数平均分子量が400のポリエチレングリコール。
<2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)>
TDI:2,4−トルエンジイソシアネート。
<その他の成分>
中空粒子1:密度0.13g/cmのマイクロカプセル920−40(日本フィライト社製)。アクリル系モノマーと塩化ビニリデンとの共重合体からなる中空粒子。
中空粒子2:中空の粒径30μm、密度0.13g/cmのウレタン樹脂製のマイクロバルーン(中空粒子)。中空粒子2はウレタン系樹脂からなる中空粒子である。
<中空粒子2の製造方法/ウレタン樹脂製のマイクロバルーンの製造方法>
ポリエチレンテレフタラートジオール(数平均分子量2,000)650gに、1,000gのトルエンを添加し、さらに142gのイソホロンジイソシアネートを添加し、トルエン還流下に120度で5時間反応を行った後、室温まで冷却し、25gのヘキサメチレンジアミン、及び20gのジエチレントリアミンを添加し60度で5時間反応を行った後、トルエンを減圧下に留去し、両末端に水酸基を持ちウレタンおよびウレア結合を有するポリウレタン樹脂を得た。得られた樹脂400g、酸化鉄12g、n−ヘキサン62g、酢酸エチル380gを混合し、あらかじめ作成したポリビニルアルコール0.5%水溶液2000gに滴下しながら分散した。得られた樹脂を濾紙濾過にて水中より取り出し、40度の循風乾燥機にて乾燥した。本球状体を音波式分級機により解砕して篩い分け、ウレタンμバルーンを得た。
<実施例1>
(A)成分のRX−1(100質量部)と(C2)成分のTMP(31.6質量部)とを120℃で混合して均一溶液にした後、十分に脱気し、100℃まで冷却した(溶液1)。別途、70℃に加温した(B2)成分のPre−2(820質量部)に(その他の成分)の中空粒子1(7.1質量部)を加え、自転公転攪拌機で攪拌して均一な溶液を得た(溶液2)。前記で調合した溶液2に、溶液1を加え、均一混合し、重合性組成物を得て、前記重合性組成物を金型へ注入し、100℃で硬化させた。重合終了後、鋳型からウレタン樹脂を取り外し、厚さ2mmのウレタン樹脂を得た。
(A):RX−1 100質量部。
(B2):Pre−2 820質量部。
(C2):TMP 31.6質量部。
(その他):中空粒子1 7.1質量部。
各配合量を表2に示した。また、各成分の官能基モル数(前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する「活性水素を持つ基」、(C2)成分の「活性水素を持つ基」、および(CA)成分の「活性水素を持つ基」のモル比)、及び、それら「活性水素を持つ基」の合計モル数と全イソ(チオ)シアネート基とのモル比を表3に示した。また、下記に評価した
上記で得られたウレタン樹脂の研磨レートは3.4μm/hr、耐スクラッチ性は1、テーバー摩耗量は19mg、硬度はA硬度で55、密度は0.7g/cm、ヒステリシスロスは20%であった。結果を表3に示した。
〔評価項目〕
(1)研磨レート:研磨条件を下記に示す。
研磨パッド:380φ。
被研磨物:2インチサファイアウエハ 3枚。
スラリー:FUJIMI コンポール 80原液。
圧力:411g/cm
回転数:60rpm。
時間:1時間。
上記条件にて、研磨を実施した際の研磨レートを測定した。
(2)耐スクラッチ性:上記(1)で記載した条件で研磨した際のウェハのスクラッチの有無を確認した。評価は以下の基準で実施した。
1:目視でも、レーザー顕微鏡でもスクラッチがないもの。
2:目視ではスクラッチは確認できないが、レーザー顕微鏡では確認できるもの。
3:目視でウェハのエッジ部位のみに1〜2本スクラッチが確認できるもの。
4:目視でウェハエッジ部位のみに3本以上、またはウェハ全体に1〜2本スクラッチが確認できるもの。
5:目視で、ウェハ全体にスクラッチが3本以上確認できるもの。
(3)テーバー摩耗量:得られたウレタン樹脂のテーバー摩耗量をテーバー社製の5130型の装置で測定した。荷重は1Kg、回転速度は60rpm、回転数は1000回転、摩耗輪はH−18でテーバー摩耗試験を実施した。
(4)JIS規格(硬さ試験)K6253に従って、高分子計器製のデュロメーターによりショアーA、及び、ショアーD硬度を測定した。硬度が比較的低い(ショアーD硬度で20未満)ものはショアーA硬度、比較的高いものはショアーD硬度で測定した。
(5)密度:東洋精機製の(DSG−1)にて密度を測定した。
(6)ヒステリシスロス:厚み2mmのダンベル8号形状に打ち抜いたウレタン樹脂を島津社製AG−SXのオートグラフにて10mm/minで20mm伸長させ、その後、応力がゼロになるまで戻した際のヒステリシスロスを測定した。
実施例2〜11、比較例1、2
表2に示した組成の重合性組成物を用いた以外は、実施例1と同様な方法で硬化体(ウレタン樹脂)を作製し、評価を行なった。結果を表4に示した。
なお、(CA)成分、(CH)成分を用いる場合は、実施例1における溶液1に配合して、硬化体(ウレタン樹脂)を得た。
比較例1は、樹脂が脆く、研磨テストで樹脂が破れてしまい、研磨テストを実施することができなかった。
Figure 2019198675
Figure 2019198675
Figure 2019198675
以上の実施例、比較例から明らかな通り、本発明で得られるウレタン樹脂は、優れた耐摩耗性、及び、研磨特性を有することが明らかである。
実施例12〜23、比較例3、4
表5に示した組成の重合性組成物を用いた以外は、実施例1と同様な方法で硬化体(ウレタン樹脂)を作製し、評価を行なった。結果を表7に示した。(CA)成分、(CH)成分を用いる場合は、実施例1における溶液1に配合して、硬化体(ウレタン樹脂)を得た。
なお、比較例4は、樹脂が脆く、研磨テストで樹脂が破れてしまい、研磨テストを実施することができなかった。
<比較例5>
(A)成分のRX−1(100質量部)と(C2)成分のTMP(31.6質量部)と(CH)成分のPTMG1000(486質量部)とDEG(64.7質量部)を80℃で混合して均一溶液にした後、十分に脱気し、さらに(その他の成分)の920−40(7.1質量部)を自転公転攪拌機で攪拌して均一な溶液を得た(溶液1)。前記で調合した溶液1に、(B1)成分のTDI(270質量部)を加え、均一混合し、前記重合性組成物を金型へ注入し、100℃で硬化させた。重合終了後、鋳型からウレタン樹脂を取り外し、厚さ2mmのウレタン樹脂を得た。
各配合量を表5に示した。また、各成分の官能基モル数、及び、活性水素基(前記ポリロタキサン(A)の側鎖が有する活性水素を持つ基のみ、(C2)成分の活性水素を有する基、(CA)成分の活性水素を有する基、及び(CH)成分の活性水素を有する基の合計を計算に入れた場合のモル比)と全イソ(チオ)シアネート基のモル比を表6に示した。また、下記に評価した結果を表7に示した。
(A):RX−1 100質量部。
(C2):TMP 31.6質量部。
(CH):PTMG1000 486質量部
(CH):DEG 64.7質量部
(その他):中空粒子1 7.1質量部。
(B1):TDI 270質量部
上記で得られたウレタン樹脂の研磨レートは1.2μm/hr、耐スクラッチ性は4、テーバー摩耗量は32mg、硬度はA硬度で57、密度は0.7g/cm、ヒステリシスロスは40%であった。結果を表7に示した。
比較例6
表5に示した組成の重合性組成物を用いた以外は、比較例5と同様な方法で硬化体を作製し、評価を行なった。結果を表7に示した。
なお、比較例6は、樹脂が脆く、研磨テストで樹脂が破れてしまい、研磨テストを実施することができなかった。
Figure 2019198675
Figure 2019198675
Figure 2019198675
1:ポリロタキサン
2:軸分子
3:環状分子
4:嵩高い末端基
5:側鎖

Claims (14)

  1. 分子内に活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(C1)、および分子内にイソ(チオ)シアネート基を2つ有する2官能イソ(チオ)シアネート基含有化合物(B1)を反応させて得られる、分子の末端にイソ(チオ)シアネート基を有するウレタンプレポリマー(B2)と、
    軸分子と該軸分子を包接する複数の環状分子とからなる複合分子構造を有してなり、該環状分子の少なくとも一部に、活性水素を持つ基を有する側鎖が導入されたポリロタキサン(A)と、
    前記ポリロタキサン(A)以外であって、分子内に活性水素を持つ基を3つ以上有する多官能活性水素含有化合物(C2)と
    を少なくとも含む重合性組成物を反応させて得られるウレタン樹脂。
  2. 前記多官能活性水素含有化合物(C2)が、活性水素を持つ基が水酸基、又はチオール基であり、数平均分子量が90〜1,000である化合物を含む請求項1に記載のウレタン樹脂。
  3. 前記ウレタンプレポリマー(B2)のイソ(チオ)シアネート当量が、300〜5000である請求項1又は2に記載のウレタン樹脂。
  4. 前記重合性組成物が、
    前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、
    前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、及び
    前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部
    含む請求項1〜3の何れかに記載のウレタン樹脂。
  5. 前記重合性組成物が、さらに
    分子内に、水酸基、及びチオール基から選ばれる活性水素を持つ基を2つ有する2官能活性水素含有化合物(CH)
    を含む請求項1〜4の何れかに記載のウレタン樹脂。
  6. 前記重合性組成物が、
    前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、
    前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、
    前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、及び
    前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部
    含む請求項5に記載のウレタン樹脂
  7. 前記重合性組成物が、さらに
    前記ポリロタキサン(A)および前記多官能活性水素含有化合物(C2)以外であって、分子内に少なくとも1つのアミノ基を有し、活性水素を持つ基の合計数が2つ以上であるアミノ基含有化合物(CA)
    を含む請求項1〜6の何れかに記載のウレタン樹脂。
  8. 前記重合性組成物が、
    前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、
    前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、
    前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、及び
    前記アミノ基含有化合物(CA)を5〜200質量部
    含む請求項7に記載のウレタン樹脂。
  9. 前記重合性組成物が、
    前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、
    前記ウレタンプレポリマー(B2)を50〜2000質量部、
    前記多官能活性水素含有化合物(C2)を2〜200質量部、
    前記2官能活性水素含有化合物(CH)を3〜200質量部、及び
    前記アミノ基含有化合物(CA)を3〜200質量部
    含む請求項7に記載のウレタン樹脂。
  10. 前記アミノ基含有化合物(CA)が、数平均分子量が60〜1,000である化合物を含む請求項7〜9の何れかに記載のウレタン樹脂。
  11. 前記重合性組成物が、さらに、中空粒子を含む請求項1〜10の何れかに記載のウレタン樹脂。
  12. 前記重合性組成物が、
    前記ポリロタキサン(A)100質量部当り、
    前記中空粒子を0.5〜50質量部含む請求項11に記載のウレタン樹脂。
  13. 前記中空粒子がウレタン系樹脂からなる請求項11または12に記載のウレタン樹脂。
  14. 請求項1〜13の何れかに記載のウレタン樹脂からなる研磨用パッド。
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