KR20140099448A - 에폭시 경화 용도를 위한 잠재성 촉매로서 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 - Google Patents

에폭시 경화 용도를 위한 잠재성 촉매로서 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 Download PDF

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Abstract

잠재성 촉매를 함유하며 놀랍게도 긴 저장 안정성을 갖는 1-성분 에폭시 조성물. 하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체의 반응 생성물인 촉매.

Description

에폭시 경화 용도를 위한 잠재성 촉매로서 카복실 암모늄기를 갖는 중합체{POLYMERS WITH CARBOXYLIC AMMONIUM GROUPS AS LATENT CATALYSTS FOR EPOXY CURING APPLICATIONS}
본 발명은 촉매로서, 하나 이상의 아민 화합물과 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 반응 생성물을 포함하는 에폭시에 관한 것이다.
에폭시 접착제는, 하나 이상의 에폭시 수지, 에폭시 수지 상의 옥시란기와 반응하는 경화제 및 하나 이상의 촉매를 함유한다. 상기 접착제는 일반적으로 2-성분 접착제 및 1-성분 접착제의 2가지 주요 유형을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
2-성분 접착제에서, 에폭시 수지 및 경화제는 따로 포장되며 접착제가 적용되어 경화되기 직전까지 접촉되지 않는다. 2-성분 접착제는 매우 긴 저장 수명의 이점을 갖지만, 에폭시 수지 및 경화제가 적용시에 계량되어 혼합되어야 하기 때문에 1-성분 접착제보다 사용하기에 더 어렵다. 계량 및 혼합 실수는 부적절한 경화 및/또는 접착제 특성의 불충분한 발현을 초래할 수 있다.
대조적으로, 1-성분 접착제는 계량 및 혼합 단계가 배제되기 때문에 2-성분 접착제보다 사용하기에 용이하다. 또한, 에폭시 수지 및 경화제는 적절한 비로 배합되므로, 이들은 통상적으로 우수한 경화 특성을 나타낸다. 그러나, 이들 제품에 필수적인 저장-안정성을 제공하기 위해서, 이들이 너무 일찍 경화되지 않도록, 통상적으로 경화제 및 잠재성(latent) 경화 촉매(즉, 열-활성화가능한 촉매)와 배합된다. 잠재성 경화 촉매는 전형적으로, 접착제가 경화되게 유도하는 규정된 승온, 통상적으로 80 ℃ 이상에 노출될 때 활성이 된다.
자동차 용도에 사용되는 많은 접착제는 1-성분 유형이다. 그러나, 1-성분 에폭시 접착제는 경화되기 위해 열을 필요로 하며, 적절히 배합되지 않는 경우 안정성 문제를 겪을 수 있다, 즉, 적용전에 경화될 수 있다.
통상적으로, 소분자 3급 아민 화합물은 불량한 저장 안정성으로 인해 1-성분 에폭시 접착제용 촉매로 단독으로 사용하기에 적합하지 않다. 예를 들면, 종래의 아미노페놀 화합물은 통상적으로 에폭시 접착제에 단지 실온에서 3 일의 저장 안정성을 제공한다. US 4,165,412 호는 3급 아민과, 시아노아세트산, 니트로아세트산, 아세톤 다이카복실산, 설포닐 다이아세트산, 티오닐다이아세트산, 아세토아세트산 및 벤조일아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 알파-치환된 카복실산의 염, 및 에폭시 수지를 경화시키기 위한 아민 경화제를 기술하고 있다. 상기 비교적 소형 촉매는, 그의 가용 시간이 실온에서 단지 약 1 주일로서, 에폭시 수지에 불충분한 저장 안정성을 제공한다.
또한, 대부분의 경우에서, 저장 안정성은 경화 속도 또는 경화 온도를 불리하게 하면서 개선된다, 즉, 보다 큰 저장 안정성을 갖는 에폭시 조성물은 더 작은 저장 안정성을 갖는 에폭시 조성물보다 더 긴 시간 동안 또는 더 높은 온도에서 경화되어야 한다. 따라서, 저온에서 경화될 수 있는 긴 저장성을 갖는 1-성분 에폭시 조성물을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전술한 바람직한 특성을 갖는 1-성분 에폭시 조성물을 제공한다. 본 발명은, 중합체이면서, 놀랍게도 1-성분 에폭시 조성물에 긴 저장 안정성과 저온에서 경화되는 능력의 놀라운 조합을 달성시키는 특정한 화학 성질을 갖는 촉매를 포함한다.
본 발명은 a) 하나 이상의 에폭시 수지, b) 하나 이상의 경화제, c) 하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체와의 반응 생성물을 포함하는 촉매 조성물을 포함하는 1-성분 에폭시 조성물을 제공한다.
본 발명의 촉매 조성물은 중합체로부터 유도되며 탁월한 잠재성을 갖는다. 반응하여 촉매를 생성하는 3급 아민 화합물은 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기와의 반응을 통해 차단되는 것으로 생각된다. 따라서, 하나 이상의 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 염이 생성된다. 특히, 촉매 조성물의 중합체 및 장쇄와 관련된 입체 장애 및 쇄 엉킴(chain entanglement) 효과는 놀랍게도 3급 아민 및 소분자 카복실산의 염(통상적으로 실온에서 1 주일의 저장시간을 갖는 에폭시 조성물을 제공)보다 더 우수한 잠재성을 제공한다. 그러므로, 상기 촉매 조성물을 포함하는 1-성분 에폭시 조성물은 놀랍게도 상당히 긴 저장성을 제공한다.
본 발명은 일단 필요한 활성화 온도로 가열된 에폭시 조성물의 경화 특성에 또 다른 이점을 갖는다. 활성화 온도는 일반적으로 기존의 치환된 우레아 촉매(예를 들면, 페닐-치환된 우레아 촉매)에 필요한 것보다 낮거나 별로 높지 않으므로, 긴 저장 수명이 달성될지라도 본 발명에서 경화 조건에 큰 차이가 필요하지 않다.
시험 방법은 시험 방법 번호에 날짜가 표시되지 않은 경우 본 문서의 우선일자 현재로 가장 최신의 시험 방법을 말한다. 시험 방법에 대한 참조는 시험 집단 및 시험 방법 번호에 대한 참조 둘 다를 포함한다. 하기의 시험 방법의 약자 및 식별자를 본원에 적용한다: ASTM은 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials)를 말하고; EN은 유럽 표준(European Norm)을 말하고; DIN은 독일 공업 규격(Deutches Institute fur Normung)을 말하고; ISO는 국제 표준화 기구(International Organization for Standards)를 말한다.
"다중"은 둘 이상을 의미한다. "및/또는"은 "및, 또는 대안으로서"를 의미한다. 모든 범위는 달리 언급하지 않는 한 종말점을 포함한다.
3급 아민 화합물은 하나 이상의 3급 아미노기를 갖는 아민 화합물을 의미한다. 적당한 3급 아민 화합물의 예로는 트라이알킬아민, 예를 들면, 트라이에틸아민, 트라이메틸아민, 트라이에탄올아민 및 N,N-다이메틸에탄올아민; 3급 다이아민, 예를 들면, N,N,N',N'-테트라메틸부탄 다이아민; 1,7-비스(다이메틸아미노)헵탄; 비스(4-다이메틸아미노페닐)메탄; N,N,N',N'-테트라에틸에틸렌다이아민; N,N,N',N' -테트라메틸에틸렌다이아민; N,N,N',N'-테트라메틸-1,3-프로판다이아민 및 트라이에틸렌 다이아민; 방향족 아민, 예를 들면, N,N-다이메틸아닐린; N,N-2-메틸아닐린 및 아미노페놀; 질소-함유 헤테로사이클릭 화합물, 예를 들면, 이미다졸 화합물, 퀴놀린 및 피리딘, 바람직하게는 아미노페놀 및/또는 이미다졸 화합물이 포함된다. 상이한 3급 아민 화합물의 혼합물도 사용할 수 있다.
아미노페놀 화합물은 하나 이상의 페놀성 하이드록실기를 함유하며, 상기 기는 방향족 고리 구조의 고리 탄소 원자에 직접 결합된 하이드록실기를 의미한다. 아미노페놀 화합물은 또한 하나 이상의 지방족 3급 아미노기를 함유한다. 아미노페놀 화합물은 2개 이상의 상기 지방족 3급 아미노기를 함유할 수 있다. 적합한 아미노페놀 화합물의 예로는 2-(다이메틸아미노메틸)페놀; 2,6-비스(다이메틸아미노메틸)페놀; 2,4-비스(다이메틸아미노메틸)페놀; 4-[(다이메틸아미노)메틸]-2-메틸-페놀; 2-다이메틸아미노메틸 페놀, 및 특히, 2,4,6-트리스(다이메틸아미노메틸) 페놀이 포함된다. 상이한 아미노페놀 화합물들의 혼합물도 사용할 수 있다.
이미다졸 화합물은 다음 성분들 중 하나 이상을 포함한다: 이미다졸, 이소이미다졸 및 치환된 이미다졸. 바람직하게, 이미다졸 화합물은 이미다졸이다. 치환된 이미다졸로는 알킬-치환된 이미다졸, 아릴-치환된 이미다졸, 아릴알킬-치환된 이미다졸이 포함된다. 알킬-치환된 이미다졸은 바람직하게는 1 내지 20개, 보다 바람직하게는 1 내지 10개, 가장 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소원자를 함유한다. 아릴-치환된 이미다졸은 바람직하게는 6 내지 10개의 탄소원자를 갖는다. 적합한 치환된 이미다졸의 예로는 1-메틸이미다졸, 벤즈이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2,4-다이메틸이미다졸, 부틸이미다졸, 2-운데세닐이미다졸, 1-비닐-2-메틸이미다졸, 2-n-헵타데실이미다졸, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 1-프로필-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실 이미다졸, 1-시아노에틸 1,2-페닐 이미다졸, 1-구아나미노에틸-2-메틸이미다졸, 이미다졸과 트라이멜리트산의 부가 생성물, 2-n-헵타데실-4-메틸이미다졸 및 그의 혼합물이 포함된다.
"중합체" 및 유사 용어들은 같거나 다른 유형의 단량체를 반응시켜(즉, 중합시켜) 제조된 고분자 화합물을 의미한다. "중합체"는 단독중합체 및 상호중합체를 포함한다. "단독중합체"는 1가지 유형의 단량체로부터만 제조된 중합체를 의미한다. "상호중합체"는 2개 이상의 상이한 단량체들의 중합에 의해 제조된 중합체를 의미한다. 상호중합체는, 통상적으로 2개의 상이한 단량체로부터 제조된 중합체를 지칭하기 위해 사용되는 공중합체, 및 2개보다 많은 상이한 단량체들로부터 제조된 중합체, 예를 들면, 삼원중합체 및 사원중합체를 포함한다.
"카복실산"은 하나 이상의 카복실기의 존재를 특징으로 하는 유기산을 의미한다. "무수물"은 동일 산소 원자에 결합된, 카복실산으로부터 유도된 2개의 아실기를 갖는 유기 화합물이다. "불포화 카복실산 또는 무수물"은 단독으로 중합되거나 또는 다른 단량체와 공중합될 수 있는, 1개 이상의 이중 결합을 함유하는 카복실산 또는 무수물을 의미한다.
본 발명에서 촉매를 제조하기 위해 사용되는, 1개 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체는 그라프트되거나, 말단화되거나 또는 중합된 카복실산 및/또는 무수물 작용기, 또는 그의 조합을 함유할 수 있다. 카복실산 및/또는 무수물 작용기를 도입하기 위해 중합체로 중합되기에 적합한 단량체로는 하기 단량체들 중 어느 하나 또는 하나보다 많은 단량체들의 혼합물이 포함된다: 아크릴산, 메틸아크릴산, 2-메틸 말레산, 크로톤산, 에타크릴산, 말레산, 이타콘산, 2-메틸 이타콘산, 푸마르산 및 메틸부텐다이오산. 무수물 작용기를 도입하기 위해 중합체로 중합되기에 적합한 단량체로는 말레산 무수물, 이타콘산 무수물, 아크릴산 무수물 및 메타크릴산 무수물이 포함된다. 중합체는 불포화 카복실산 또는 무수물의 동일 단량체로 구성된 단독중합체일 수 있다. 중합체는 또한 2개 이상의 상이한 단량체들로 구성된 상호중합체일 수 있으며, 이때 첫번째 단량체는 불포화 카복실산 또는 무수물이고 하나 이상의 다른 단량체는 상이하다. 첫번째 단량체와 중합되기에 적합한 다른 단량체로는 하기 단량체들 중 어느 하나 또는 하나보다 많은 단량체의 혼합물이 포함된다: 불포화 카복실산 또는 첫번째 단량체와 상이한 무수물, 불포화 아크릴레이트, 비닐 단량체, 예를 들어, 에틸렌, 스티렌, 프로필렌, 부틸렌, 옥텐, 헥센 및 그의 혼합물.
하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체는 바람직하게는 400 g/몰 이상의 수평균 분자량(Mn)을 갖는다. 수평균 분자량은 겔 투과 크로마토그래프(GPC) 분석에 따라 측정된다. GPC 분석은 일반적으로 ASTM D5296-05 및 문헌 [Andre Striegel, Wallace W. Yau, Joseph J. Kirkland, and Donald D. Bly, Modern Size Exclusion Liquid Chromatography: Practice of Gel Permeation and Gel Filtration Chromatography, 2nd Edition (2009)]에 따라 수행된다. 특히, 폴리올레핀에 대한 GPC 분석은 ASTM D6474-99(2006)에 따라 수행된다.
본 발명의 촉매 조성물의 잠재성을 더 증가시키기 위해, 중합체의 수평균 분자량은 바람직하게는 1000 g/몰 이상, 보다 바람직하게는 1500 g/몰 이상, 보다 더 바람직하게는 2000 g/몰 이상, 가장 바람직하게는 2500 g/몰 이상, 보다 더 가장 바람직하게는 3000 g/몰 이상이다. 장쇄와 관련된 증가된 입체 장애 및 엉킴 효과를 달성하기 위해서는 보다 고분자량이 바람직하다. 바람직하게, 중합체의 수평균 분자량은 바람직하게 100,000 g/몰 이하, 바람직하게는 40,000 g/몰 이하, 보다 바람직하게는 30,000 g/몰 이하, 보다 더 바람직하게는 25,000 g/몰 이하, 가장 바람직하게는 20,000 g/몰 이하이다.
중합체의 카복실산 및/또는 무수물의 작용가는 적어도 1 이상, 바람직하게는 2 이상, 보다 바람직하게는 3 이상이다. 고 작용가의 카복실산 및/또는 무수물이 바람직하므로, 보다 많은 3급 아민 화합물이 카복실산 및/또는 무수물기와 반응할 것이며, 이것은 에폭시 경화시 더 높은 촉매 활성에 기여한다. 카복실산 및/또는 무수물기의 중량 기준 함량은 바람직하게, 중합체의 중량을 기준으로, 0.1% 이상, 바람직하게는 0.5% 이상, 보다 바람직하게는 1% 이상인 동시에, 바람직하게 50% 이하, 바람직하게는 45% 이하, 보다 바람직하게는 40% 이하, 가장 바람직하게는 35% 이하이다.
하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체는 바람직하게는 폴리올레핀, 폴리에스터, 폴리에터 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택된다. 의심의 소지를 없애기 위해, 촉매는 하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 상기 군에서 선택된 중합체들의 블렌드와의 반응 생성물일 수 있다.
바람직하게, 3급 아민 화합물과 반응시켜 본 발명에 사용하기 위한 촉매를 생성하기 위해 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리올레핀을 사용한다. 바람직하게, 폴리올레핀은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이다. 폴리에틸렌 중 카복실산 및/또는 무수물기는 에틸렌 단독중합체 또는 에틸렌/α-올레핀 상호중합체에 그라프트될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 불포화 카복실산 및/또는 무수물 단량체는 에틸렌 및 선택적인 다른 공단량체와 공중합되어 에틸렌, 불포화 카복실산 또는 무수물 단량체 및 선택적으로 다른 공단량체의 상호중합체를 생성할 수 있다.
하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 적합한 폴리올레핀의 예로는 말레산 무수물 그라프트 폴리에틸렌, 산- 또는 무수물-개질된 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(예를 들면, 말레산 무수물 개질된 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체), 산- 또는 무수물-개질된 에틸 아크릴레이트 중합체, 에틸렌/부틸 아크릴레이트 및 말레산 무수물의 삼원중합체가 포함된다. 상업적으로 시판하는 제품으로는 바이넬(BYNEL, 등록상표) 2002, 바이넬 2022 및 바이넬 2174 수지(바이넬은 이. 아이. 듀퐁 드 네무어스 앤드 캄파니(E.I. du Pont de Nemours and Company)의 상표이다); 로타더(LOTADER, 등록상표) 3410, 로타더 2210, 로타더 TX 8030 및 로타더 4210 수지(로타더는 엘프 아토켐 에스.에이.(ELF ATOCHEM S.A.)의 상표이다)와 같은 수지가 포함된다.
바람직하게, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리올레핀은 에틸렌과 에틸렌성 불포화 일- 및 이-작용성 카복실산(예를 들면, 아크릴산 및 메타크릴산)의 공중합체, 보다 바람직하게는 에틸렌 아크릴산 공중합체를 포함한다. "에틸렌 아크릴산 공중합체"는 에틸렌 아크릴산(EAA) 또는 에틸렌 메틸아크릴산(EMA) 또는 EAA와 EMA의 혼합물을 함유하는 중합체를 포함한다.
에틸렌 아크릴산 공중합체는, 공중합체 중량을 기준으로, 바람직하게 5 중량%(wt%) 이상, 바람직하게는 6.5 중량% 이상, 보다 바람직하게는 9 중량% 이상인 동시에 바람직하게 30 중량% 이하, 바람직하게는 25 중량% 이하, 보다 바람직하게는 22 중량% 이하인 아크릴산 함량을 갖는다. 필요한 경우, 2개 이상의 에틸렌 아크릴산 공중합체를 블렌딩하여 목적하는 아크릴산 함량을 제공할 수 있다. 에틸렌 아크릴산 공중합체의 용융 지수는 바람직하게는 1 이상, 보다 바람직하게는 1.5 이상, 가장 바람직하게는 5 이상인 동시에, 바람직하게 1500 이하, 보다 바람직하게는 1400 이하, 가장 바람직하게는 1300 이하이다(용융 지수는 ASTM D1238 시험에 따라 섭씨 190 도(℃)/2.16 kg에서 측정된다). 실온보다 높은 온도에서 에폭시 조성물의 저장 안정성을 증가시키기 위해, 에틸렌 아크릴산 공중합체의 비캇(Vicat) 연화 온도는 바람직하게 40 ℃ 이상, 바람직하게는 50 ℃ 이상이다(비캇 연화 온도는 ASTM D1525 시험에 따라 측정된다). 바람직하게, 에틸렌 아크릴산 공중합체의 비캇 연화 온도는 바람직하게는 90 ℃ 이하, 바람직하게는 85 ℃ 이하이다.
상업적으로 시판하는 에틸렌 아크릴산 공중합체의 예로는 더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company)에서 시판하는 프리마코(PRIMACOR, 등록상표) 5980i, 프리마코 3440, 프리마코 5986 및 프리마코 3004 수지(프리마코는 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다), 및 누크렐(NUCREL, 등록상표) 2806 수지(누크렐은 이.아이. 듀퐁 드 네무어스 앤드 캄파니의 상표이다)가 포함된다. 에틸렌 아크릴산 공중합체의 제조 방법은 알려져 있다.
3급 아민 화합물과 반응시켜 본 발명에 사용하기 위한 촉매를 제조하기 위해 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리우레탄을 사용할 수 있다. 폴리우레탄은 하나 이상의 폴리올 및 하나 이상의 이소시아네이트를 반응시켜 생성된 우레탄 결합을 갖는 중합체를 의미한다. 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리우레탄은 통상적으로, 예를 들면, 하나 이상의 폴리올을 하나 이상의 이소시아네이트 또는 폴리우레탄 예비중합체와 1보다 큰 당량비로 반응시켜 수득한 후, 무수물로 개질시킬 수 있다. 하나 이상의 카복실산 또는 무수물기를 갖는 폴리우레탄을 제조하는 다른 방법은, 예를 들면, 고함량의 카복실산기를 달성하기 위해 카복실산 함유 화합물, 바람직하게는 하이드록실 함유 카복실산(예를 들면, 2,2-비스(하이드록시메틸) 프로피온산)을 사용하여 이소시아네이트 및/또는 폴리우레탄 예비중합체와 반응시키는 것을 포함한다.
폴리올은 2개 이상의 이소시아네이트-반응성 하이드록실("OH")기를 함유하는 화합물이다. 일반적으로, 폴리올은 2 이상, 바람직하게는 3 이상, 및 동시에 바람직하게 12 이하, 바람직하게는 10 이하, 보다 바람직하게는 8 이하의 공칭 작용가(OH기/분자의 평균수)를 가질 수 있다. 폴리올은 폴리올 그램 당 20 내지 1000 밀리그램의 수산화칼륨(mg KOH/g) 범위의 평균 하이드록실가를 가질 수 있다. 폴리올은 또한 1개의 폴리올 또는 하나보다 많은 폴리올의 혼합물일 수 있다. 적합한 폴리올의 예로는 폴리에터 폴리올, 폴리에스터 폴리올, 폴리하이드록시-말단화 아세탈 수지 및 폴리알킬렌 카보네이트-기재 폴리올이 포함된다. 상기 및 기타 적합한 폴리올의 예는, 예를 들면, 미국 특허 제 4,394,491 호에 더 상세히 기술되어 있다. 폴리올은 또한 중합체 폴리올을 포함할 수 있다.
"이소시아네이트"는 폴리올 또는 그의 혼합물과 반응성인 하나 이상의 이소시아네이트기를 함유하는 중합체를 포함하는 임의의 화합물을 말한다. 바람직하게는, 하나 이상의 폴리이소시아네이트가 사용된다. 폴리이소시아네이트 화합물 또는 그의 혼합물은 분자당 평균 2개 이상, 바람직하게는 평균 2.5 내지 4.0개의 이소시아네이트기를 갖는다. 카복실산기를 갖는 폴리우레탄을 제조하기에 적합한 이소시아네이트의 예는 방향족, 지방족, 지환족 또는 그의 혼합물일 수 있다. 또한, 개질된 폴리이소시아네이트(예를 들면, 에스터, 우레아, 뷰렛(biuret), 알로파네이트(allophanate), 및 바람직하게는 카보디이미드 및/또는 우레토노민(uretonomine)을 함유하는 폴리이소시아네이트, 및 이소시아누레이트 및/또는 우레탄기-함유 다이이소시아네이트 또는 폴리이소시아네이트), 이소시아네이트-기재 예비중합체, 준(quasi)-(또는 반(semi)-) 예비중합체 및 그의 혼합물도 또한 유용하다. 이량체 및 특히 이소시아네이트 고리를 함유하는 이소시아네이트의 이소시아네이트("NCO")- 말단화 올리고머와 같은 보다 높은 작용가를 갖는 폴리이소시아네이트 뿐 아니라, 전술한 이소시아네이트의 예비중합체 및 혼합물도 또한 적합하다. 바람직하게, 폴리우레탄 예비중합체는 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리우레탄을 제조하는데 사용된다. 폴리우레탄 예비중합체는 바람직하게는 예비중합체의 중량을 기준으로 5 내지 40 중량%의 NCO 함량을 함유한다.
3급 아민 화합물과 반응시켜 본 발명에 사용하기 위한 촉매를 제조하기 위해 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리에터를 사용할 수 있다. 폴리에터는 반복 단위가 산소 원자에 의해 결합된 2개의 탄소원자를 함유하는 중합체를 말한다. 카복실산 및/또는 무수물-함유 폴리에터는 통상적으로, 예를 들면, 2 이상의 하이드록실 작용가를 갖는 폴리에터 폴리올을 무수물 개질시켜 제조할 수 있다. 폴리에터 폴리올은 1개 이상의 폴리옥시알킬렌 폴리올을 포함할 수 있다. 상기 폴리올은 2 내지 10의 통합 공칭 작용가를 가질 수 있다. 폴리에터 폴리올은 폴리(테트라하이드로푸란) 단독중합체, 폴리(프로필렌 옥사이드) 단독중합체, 폴리(에틸렌 옥사이드) 단독중합체, 프로필렌 옥사이드와 에틸렌 옥사이드의 랜덤 공중합체(여기서, 폴리(에틸렌 옥사이드) 함량은, 예를 들면, 1 내지 50 중량%이다), 에틸렌 옥사이드-캡핑된 폴리(프로필렌 옥사이드) 단독중합체 및 프로필렌 옥사이드와 에틸렌 옥사이드의 에틸렌 옥사이드-캡핑된 랜덤 공중합체이다.
적합한 폴리에터 폴리올의 예로는 모두 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는 스펙플렉스(SPECFLEX, 등록상표) NC630 및 스펙플렉스 NC632 브랜드 폴리올(스펙플렉스는 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다), 보라룩스(VORALUX, 등록상표) HF 505 브랜드 폴리올(보라룩스는 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다), 보라놀(VORANOL, 등록상표) CP 1421, 보라놀 CP 3055, 보라놀 CP 3355, 보라놀 CP 4055, 보라놀 CP 4655, 보라놀 CP 4755, 보라놀 1010 L 및 보라놀 P 2000 브랜드 폴리올(보라놀은 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다)이 포함된다. 폴리올은 본원에 교지된 폴리올들 중 어느 하나 또는 하나보다 많은 폴리올의 혼합물을 포함할 수 있다.
3급 아민 화합물과 반응시켜 본 발명에 사용하기 위한 촉매를 제조하기 위해 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 폴리에스터를 사용할 수 있다. 폴리에스터는 주쇄에 에스터 작용기를 갖는 중합체를 말한다. 카복실산 및/또는 무수물기 함유 폴리에스터는 통상적으로, 예를 들면, 폴리에스터 폴리올을 무수물 개질시킴으로써, 알콜과 카복실산(또는 카복실레이트) 사이의 중축합 반응에 의해, 동일 단계에서 또는 별도로 첨가된 무수물의 부가하에 락톤의 활성 수소 함유 화합물 개시된 개환 중합에 의해, 또는 승온(예를 들면, 100 내지 180 ℃, 바람직하게는 120 내지 150 ℃)에서 불활성 가스하에 락톤의 카복실산 개시된 중합에 의해 수득될 수 있다.
하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체와의 반응은 통상적으로 주위 온도 또는 승온에서 이들을 직접 혼합함으로써 수행될 수 있다. 또는, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체는 통상적으로 3급 아민 화합물과 혼합하기 전에 먼저 제조될 수 있다. 온도는 바람직하게는 25 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 30 ℃ 이상, 가장 바람직하게는 40 ℃ 이상, 및 동시에 125 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 100 ℃ 이하, 가장 바람직하게는 80 ℃ 이하이다. 반응은 20 분 내지 3 시간의 시간 범위에 걸쳐 진행될 수 있다. 일부 태양에서, 반응 시간은 1 시간이다.
하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체의 반응은 용매를 포함하거나 또는 용매를 함유하지 않을 수 있다. 반응이 용매를 포함하는 경우, 용매는 바람직하게는 3급 아민 화합물과 혼합 전에 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체와 먼저 혼합된다. 적합한 용매의 예로는 알콜, 예를 들면, 메탄올 또는 테트라하이드로푸란(THF)이 포함된다. 바람직하게, 3급 아민 화합물과 반응시키기 위해 에틸렌 아크릴산 공중합체가 사용되는 경우, 에틸렌 아크릴산 공중합체를 용해시키기 위해 THF가 첨가될 수 있다. 용매가 존재하는 경우, 용매를 제거하기 위해 증발 단계가 적용될 수 있다.
하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체의 반응은 하나 이상의 충전제를 포함하거나 또는 충전제가 부재할 수 있다. 충전제는 3급 아민 화합물, 및/또는 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체와 함께 첨가될 수 있다. 특히, 에틸렌 아크릴산 공중합체가 3급 아민 화합물과 반응하는 경우, 수득된 반응 생성물의 미분으로의 분쇄를 촉진하기 위해 충전제가 첨가될 수 있다. 미분은 에폭시 조성물에 용이하게 분산되기 때문에 바람직하다. 적합한 충전제의 예로는 탄산칼슘, 산화칼슘, 활석, 콜타르, 카본블랙, 직물 섬유, 유리 입자 또는 섬유, 아라미드 펄프, 붕소 섬유, 탄소 섬유, 광물 실리케이트, 운모, 분말화 석영, 수화된 산화알루미늄, 벤토나이트, 규회석, 고령토, 발연 실리카, 실리카 에어로겔 또는 금속 분말, 예를 들어, 알루미늄 분말 또는 철 분말이 포함된다. 이들 중에서, 점토, 발연 실리카 및 그의 혼합물이 바람직하다. 반응에 첨가되는 충전제의 중량 함량은, 존재하는 경우, 바람직하게는 0.5% 이상, 보다 바람직하게는 1% 이상, 가장 바람직하게는 2% 이상이다. 바람직하게, 충전제의 중량 함량은, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 중량을 기준으로, 바람직하게는 50% 이하, 보다 바람직하게는 40% 이하, 가장 바람직하게는 30% 이하이다.
하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체와의 반응에서, 3급 아민 화합물은 바람직하게, 3급 아민 화합물 및 중합체의 총 중량을 기준으로, 0.1% 이상, 바람직하게는 0.5% 이상, 보다 바람직하게는 1% 이상, 및 동시에 바람직하게 70% 이하, 바람직하게는 50% 이하, 보다 더 바람직하게는 45% 이하의 중량 기준 농도로 존재한다. 바람직하게, 3급 아민 화합물, 및 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체는 0.01 내지 100의 당량비로 첨가된다. 3급 아민 화합물 대 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 당량비는 3급 아민 화합물 중 질소기의 몰량을 카복실산기의 몰량 및 무수물기의 몰량의 2배의 총수로 나눈 것으로서 결정된다. 3급 아민 화합물 대 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 당량비는 바람직하게 0.1 이상, 바람직하게는 0.4 이상, 보다 바람직하게는 0.6 이상, 가장 바람직하게는 0.8 이상, 및 동시에 바람직하게 20 이하, 바람직하게는 10 이하, 보다 바람직하게는 6 이하, 보다 더 바람직하게는 5 이하, 가장 바람직하게는 4 이하이다. 3급 아민 화합물과 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 반응은 하나 이상의 카복실 암모늄기, 바람직하게는 적어도 2개 이상의 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 염을 생성한다. 카복실 암모늄기의 중량 함량은, 중합체 염의 중량을 기준으로, 바람직하게 0.1% 이상, 바람직하게는 0.5% 이상, 보다 바람직하게는 1% 이상, 및 동시에, 바람직하게 50% 이하, 바람직하게는 45% 이하, 보다 바람직하게는 40% 이하, 가장 바람직하게는 35% 이하일 수 있다.
반응 후에, 상기와 같이 수득된 생성물은, 촉매 조성물에 사용되기 전에 미반응 3급 아민 화합물, 또는 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 미반응 중합체를 제거하기 위해 정제될 수 있거나; 또는 임의의 정제 없이 촉매 조성물에 바로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 촉매 조성물은 하나 이상의 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 염, 선택적으로 미반응 3급 아민 화합물 또는 미반응 중합체, 및 선택적으로, 반응에 첨가되는 경우, 충전제를 포함할 수 있다. 바람직하게, 촉매 조성물은 하나 이상의 카복실 암모늄기를 갖는 중합체 염과 미반응 3급 아민 화합물의 혼합물을 포함한다. 또한, 2개 이상의 상이한 중합체 염의 혼합물도 또한 촉매 조성물에 사용될 수 있다.
1-성분 에폭시 조성물은 하나 이상의 에폭시 수지, 하나 이상의 경화제, 하나 이상의 3급 아민 화합물과 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체의 반응 생성물을 포함하는 촉매 조성물, 및 기타 선택적 성분들을 포함한다.
1-성분 에폭시 조성물 중 촉매 조성물의 중량 함량은, 1-성분 에폭시 조성물의 중량을 기준으로, 바람직하게 0.1% 이상, 바람직하게는 0.2% 이상, 보다 바람직하게는 0.5% 이상, 및 동시에, 바람직하게 30% 이하, 바람직하게는 20% 이하, 보다 바람직하게는 10% 이하이다. 촉매 조성물 중 중합체 염은 경화된 에폭시 조성물중에 유연한 쇄 단편들 및/또는 마이크로상(micro-phase) 분리물의 형성을 야기할 것이다. 따라서, 에폭시 조성물의 인성(toughness)을 증가시키기 위해, 고함량의 촉매 조성물이 혼입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 1-성분 에폭시 조성물은 또한 하나 이상의 에폭시 수지를 함유한다. 에폭시 수지 전부 또는 일부는 고무-개질된 에폭시 수지의 형태로 존재할 수 있다. 적합한 에폭시 수지의 예로는 다가 페놀 화합물, 예를 들어, 레조르시놀, 카테콜, 하이드로퀴논, 비스페놀, 비스페놀 A, 비스페놀 AP(1,1-비스(4-하이드록시페닐)-1-페닐 에탄), 비스페놀 F, 비스페놀 K, 비스페놀 M 및 테트라메틸 비스페놀의 다이글리시딜 에터; 지방족 글리콜 및 폴리에터 글리콜의 다이글리시딜 에터, 예를 들면, 2 내지 24개 탄소(C2-24)의 알킬렌 글리콜 및 폴리(에틸렌 옥사이드) 또는 폴리(프로필렌 옥사이드) 글리콜을 갖는 다이글리시딜 에터; 페놀-폼알데하이드 노볼락 수지, 알킬 치환된 페놀-폼알데하이드 수지(에폭시 노볼락 수지), 페놀-하이드록시벤즈알데하이드 수지, 크레졸-하이드록시벤즈알데하이드 수지, 다이사이클로펜타디엔-페놀 수지 및 다이사이클로펜타디엔 치환된 페놀 수지의 폴리글리시딜 에터, 및 그의 임의의 혼합물이 포함된다. 2개 이상의 상이한 에폭시 수지의 혼합물도 또한 사용할 수 있다.
바람직하게, 비스페놀 A 수지의 다이글리시딜 에터, 예를 들면, 상표 D.E.R.(등록상표) 330, D.E.R. 331, D.E.R. 332, D.E.R. 383, D.E.R. 661 및 D.E.R. 662 수지(D.E.R.은 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다)로 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는 것들을 사용할 수 있다. 상업적으로 시판하는 폴리글리콜의 다이글리시딜 에터로는 더 다우 케미칼 캄파니에서 상표 D.E.R. 732 및 D.E.R. 736으로 시판하는 것들이 포함된다. 에폭시 노볼락 수지, 예를 들면, 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는, 상표 D.E.N.(등록상표) 354, D.E.N. 431, D.E.N. 438 및 D.E.N. 439 수지(D.E.N.은 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다)로 상업적으로 시판되는 것들을 또한 사용할 수 있다. 다른 적당한 또 다른 에폭시 수지는 지환족 에폭시드이다. 지환족 에폭시드로는 하기 구조 I로 예시된 바와 같은, 탄소 고리에 2개의 인접 원자에 결합된 에폭시 산소를 갖는 포화 탄소 고리가 포함된다:
Figure pct00001
상기에서, R은 지방족, 지환족 및/또는 방향족기이고, n은 1 내지 10, 바람직하게는 2 내지 4의 수이다. n이 1인 경우, 상기 지환족 에폭시드는 모노에폭시드이다. n이 2 이상인 경우 다이- 또는 에폭시 수지가 생성된다. 모노-, 다이- 및/또는 에폭시 수지의 혼합물을 사용할 수 있다. 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 3,686,359 호에 기술된 바와 같은 지환족 에폭시 수지를 본 발명에 사용할 수 있다. 바람직하게, 지환족 에폭시 수지로는 (3,4-에폭시사이클로헥실-메틸)-3,4-에폭시-사이클로헥산 카복실레이트, 비스-(3,4-에폭시사이클로헥실) 아디페이트, 비닐사이클로헥센 모노옥사이드 및 그의 혼합물이 포함된다.
다른 적합한 에폭시 수지로는 미국 특허 제 5,112,932 호에 기술된 바와 같은 옥사졸리돈-함유 화합물이 포함된다. 또한, 더 다우 케미칼 캄파니의 D.E.R. 592 및 D.E.R. 6508로서 상업적으로 시판되는 것과 같은 개선된 에폭시-이소시아네이트 공중합체가 사용될 수 있다.
에폭시 수지는 바람직하게는 비스페놀-유형 에폭시, 또는 10 중량% 이하의 또 다른 유형의 에폭시 수지와의 그의 혼합물이다. 바람직하게, 비스페놀 유형 에폭시 수지는 액체 에폭시 수지이거나, 또는 액체 에폭시 수지에 분산된 고체 에폭시 수지의 혼합물이다. 가장 바람직한 에폭시 수지는 비스페놀-A계 에폭시 수지 및 비스페놀-F계 에폭시 수지이다.
특히 바람직한 에폭시 수지는 170 내지 299, 특히 170 내지 225의 에폭시 당량을 갖는 하나 이상의 다가 페놀, 바람직하게는 비스페놀-A 또는 비스페놀-F의 다이글리시딜 에터와, 300 이상, 바람직하게는 310 내지 600의 에폭시 당량을 갖는 다가 페놀, 또한 바람직하게는 비스페놀-A 또는 비스페놀-F의 하나 이상의 제 2의 다이글리시딜 에터의 혼합물이다. 수지의 상기 두가지 유형의 비율은 바람직하게는 두 수지의 혼합물이 225 내지 400의 평균 에폭시 당량을 갖게 하는 비율이다. 혼합물은 선택적으로 또한 에폭시 수지의 총 중량을 기준으로, 20 중량% 이하, 바람직하게는 10 중량% 이하의 하나 이상의 다른 에폭시 수지를 함유할 수 있다.
1-성분 에폭시 조성물은 바람직하게는, 에폭시 조성물의 중량을 기준으로, 10 중량% 이상, 바람직하게는 15 중량% 이상, 보다 더 바람직하게는 20 중량% 이상, 및 동시에 바람직하게 95 중량% 이하, 바람직하게는 70 중량% 이하, 보다 바람직하게는 60 중량% 이하, 가장 바람직하게는 50 중량% 이하의 양으로 에폭시 수지를 포함한다.
1-성분 에폭시 조성물은 또한 하나 이상의 경화제를 포함한다. 경화제는 실온에서 고체이며, 50 ℃ 이상, 바람직하게는 60 ℃ 이상의 용융 온도를 갖는다. 상기 경화제는 옥시란기와 반응하여 그에 대한 결합을 형성하고 중합체 쇄를 연장시키는 작용기, 전형적으로는 1급 및/또는 2급 아미노기를 함유한다.
적합한 경화제의 예로는 붕소 트라이클로라이드/아민 및 붕소 트라이플루오라이드/아민 착체, 다이시안다이아미드, 테트라하이드로프탈산 무수물, 페닐바이구아니드, 다이에틸페닐 바이구아니드, 멜라민, 다이알릴멜라민, 구아나민, 예를 들어, 아세토구아마닌 및 벤조구아나민, 아미노트리아졸, 예를 들어, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 하이드라지드, 예를 들어, 아디프산 다이하이드라지드, 스테아르산 다이하이드라지드, 이소프탈산 다이하이드라지드, 세미카바지드, 시아노아세트아미드, 및 방향족 폴리아민, 예를 들어, 다이아미노다이페닐설폰이 포함된다. 다이시안다이아미드, 이소프탈산 다이하이드라지드, 아디프산 다이하이드라지드 및 4,4'-다이아미노다이페닐설폰이 특히 바람직하다. 바람직하게는, 다이시안다이아미드를 경화제로 사용한다.
경화제는 에폭시 조성물을 경화시키기에 충분한 양으로 사용된다. 경화제의 중량 기준 함량은 바람직하게 에폭시 수지 100 중량부 당 1 부 이상, 바람직하게는 1.5 부 이상, 보다 바람직하게는 2.5 부 이상, 가장 바람직하게는 5 부 이상, 및 동시에, 바람직하게 150 부 이하, 바람직하게는 120 부 이하, 보다 바람직하게는 100 부 이하, 가장 바람직하게는 80 부 이하이다. 바람직하게, 다이시안다이아미드는 바람직하게 에폭시 수지 100 중량부 당 15 부 이하, 바람직하게는 10 부 이하로 사용된다.
1-성분 에폭시 조성물은 하기 성분들 중 어느 하나 또는 하나 보다 많은 성분들의 혼합물을 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다: 고무, 충전제, 요변성제(thixotropic agent), 강화제(toughening agent), 예를 들어, 탄성 강화제, 희석제, 가소제, 증량제, 안료 및 염료, 난연제, 유동성 개질제, 유동 조절제, 증점제, 예를 들어, 열가소성 폴리에스터, 겔화제, 예를 들어, 폴리비닐부티랄, 접착 촉진제 및 산화방지제, 습윤제 및 분산제.
바람직하게는, 고무가 1-성분 에폭시 조성물에 첨가된다. 고무는 바람직하게는 고무-개질된 에폭시 수지의 형태로, 코어-쉘 입자의 형태로, 또는 두 형태의 일부 조합으로 존재할 수 있다. 1-성분 조성물은 바람직하게는, 에폭시 조성물의 중량을 기준으로, 1 중량% 이상, 바람직하게는 3 중량% 이상, 보다 더 바람직하게는 4 중량% 이상, 및 동시에 15 중량% 이하, 바람직하게는 10 중량% 이하의 총 고무 함량을 갖는다.
고무-개질된 에폭시 수지는 에폭시 수지와, 에폭시드-반응기, 예를 들어, 아미노기 또는 바람직하게는 카복실기를 갖는 하나 이상의 액체 고무의 에폭시-말단 부가물이다. 이 경우에 고무는 바람직하게는 공액 디엔(예를 들면, 부타디엔 또는 이소프렌)의 단독중합체 또는 공중합체, 특히 디엔/니트릴 공중합체이다. 바람직한 공중합체는 부타디엔-아크릴로니트릴 공중합체이다. 고무는 바람직하게는 (에폭시 수지와 반응하여 부가물을 생성하기 전에) 에폭시드-반응성 말단기를 함유한다. 적합한 고무의 예로는 노베온(Noveon)에서 상표명 하이카(HYCAR, 등록상표) 2000X162 카복실-말단 부타디엔 단독중합체(하이카는 러브리졸 어드밴스드 머티리얼스, 인코포레이티드(Lubrizol Advanced Materials, Inc.)의 상표이다); 하이카 1300X31, 하이카 1300X8, 하이카 1300X13, 하이카 1300X9 및 하이카 1300X18 카복실-말단 부타디엔/아크릴로니트릴 공중합체; 및 하이카 1300X21 아민-말단 부타디엔/아크릴로니트릴 공중합체로 상업적으로 시판하는 것들이 포함된다. 고무는 과량의 에폭시 수지와의 반응에 의해 에폭시-말단 부가물로 생성된다.
또 다른 적합한 유형의 고무는 코어-쉘 고무이다. 코어-쉘 고무의 코어는 부타디엔과 같은 공액 디엔, 또는 n-부틸-, 에틸-, 이소부틸- 또는 2-에틸헥실아크릴레이트와 같은 저급 알킬 아크릴레이트의 중합체 또는 공중합체일 수 있다. 코어 중합체는 또한 20 중량% 이하의 다른 공중합된 모노불포화 단량체, 예를 들면, 스티렌, 비닐 아세테이트, 비닐 클로라이드, 메틸 메타크릴레이트 등을 함유할 수 있다. 코어 중합체는 선택적으로 가교결합된다. 선택적으로 고무 코어에 화학적으로 그라프트되거나 또는 가교결합된 쉘 중합체는 바람직하게는 하나 이상의 저급 알킬 메타크릴레이트, 예를 들면, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트 또는 t-부틸 메타크릴레이트로부터 중합된다. 상기 메타크릴레이트 단량체의 단독중합체를 사용할 수 있다. 또한, 40 중량% 이하의 쉘 중합체는 다른 모노비닐리덴 단량체, 예를 들면, 스티렌, 비닐 아세테이트, 비닐 클로라이드, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트 등으로부터 형성될 수 있다. 바람직한 유형의 코어-쉘 고무는 쉘 중합체 중에 에폭시 수지 또는 에폭시 수지 경화제와 반응할 수 있는 반응기(예를 들면, 글리시딜 메타크릴레이트와 같은 단량체에 의해 제공된 글리시딜기)를 갖는다.
바람직한 코어-쉘 고무로는 카네 에이스(KANE ACE, 등록상표) MX 156 및 카네 에이스 MX 120 코어-쉘 고무 분산액을 포함하여, 카네 에이스(KANE ACE, 등록상표)(카네 에이스는 카네카 코포레이션(Kaneka Corporation)의 상표이다)의 상표로 카네카 코포레이션에서 시판되는 것들이 포함된다. 실리콘 고무 코어를 갖는 또 다른 바람직한 코어-쉘 고무는 와커 케미(Wacker Chemie, 독일 뮌헨)에서 상표 제니오펄(GENIOPERL, 등록상표)(제니오펄은 와커 케미 AG의 상표이다)로 상업적으로 시판하는 것들이 포함된다. 특히 바람직한 유형의 코어-쉘 고무는 EP 1 632 533 A1 호에 기술된 유형의 고무이다.
본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 선택적으로 하나 이상의 탄성 강화제를 또한 함유할 수 있다. 탄성 강화제는 캡핑되거나 차단된 이소시아네이트기를 함유하는 액체 또는 저-융점 탄성 물질이다. 탄성 강화제의 탄성 부분은 하나 이상의 연질 단편, 예를 들면, 폴리에터, 폴리부타디엔 또는 폴리에스터를 포함한다. 특히 바람직한 연질 단편으로는 폴리(에틸렌 옥사이드) 블록, 폴리(프로필렌 옥사이드) 블록, 폴리(에틸렌 옥사이드-코-프로필렌 옥사이드) 블록, 폴리(부틸렌 옥사이드) 블록, 폴리(테트라하이드로푸란) 블록, 폴리(카프로락톤) 블록 등이 포함된다.
탄성 강화제는 분자당 하나 이상의 차단되거나 캡핑된 이소시아네이트기를 함유한다. 상기 강화제는 바람직하게는 분자당 평균 2개 이상의 상기 기를 함유하지만, 전형적으로 분자당 6개 이하, 바람직하게는 약 4개 이하의 차단되거나 캡핑된 이소시아네이트기를 함유한다. 캡핑 또는 차단기의 예는 페놀(예를 들면, 페놀, 아미노페놀, 폴리페놀, 알릴페놀 또는 폴리알릴폴리페놀, 예를 들어, o,o-다이알릴 비스페놀 A) 또는 페놀아민, 1급 지방족, 지환족, 헤테로방향족 및 방향지방족(araliphatic) 아민; 2급 지방족, 지환족, 방향족, 헤테로방향족 및 방향지방족 아민, 모노티올, 알킬아미드 및 하이드록실 작용성 에폭시드(예, 하이드록시알킬에폭시드), 및 벤질 알콜이다. 캡핑 또는 차단기는 페놀, 방향족 아미노, -OCN, 에폭시드와 같은 작용기를 함유할 수 있거나, 또는 그에 결합된 다른 폴리우레탄 탄성체를 포함할 수 있으나, 상기 캡핑 또는 차단기는 대신 상기 기들이 없을 수 있다.
탄성 강화제는 선형이거나, 분지되거나 또는 약간 가교결합될 수 있다. 적합한 탄성 강화제로는 미국 특허 제 5,278,257 호, WO 2005/118734 호, WO 2011/056357 호, WO 2010/019539 호, WO 2009/094295 호, WO 2006/128722 호, 미국 공개 특허출원 제 2005/0070634 호, 미국 공개 특허출원 제 2005/0209401 호, 미국 공개 특허출원 제 2006/10276601 호, 미국 공개 특허출원 제 2008/0251203 A1 호, EP 1 602 702 A 호 및 EP 0 308 664 A호에 기술된 것들이 포함된다.
사용되는 경우, 탄성 강화제는 동적 하중하에서 상기 강화제를 함유하는 조성물의 성능을 개선하기에 충분한 양으로 존재한다. 탄성 강화제는 바람직하게는, 에폭시 수지의 중량을 기준으로, 10 중량% 이상, 바람직하게는 14 중량% 이상, 보다 더 바람직하게는 18 중량% 이상, 및 동시에 바람직하게 38 중량% 이하, 바람직하게는 28 중량% 이하, 보다 더 바람직하게는 25 중량% 이하의 농도로 존재한다.
바람직하게, 본 발명의 에폭시 조성물은 또한 충전제를 포함한다. 충전제는 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 전술한 반응에 포함되고/되거나 에폭시 조성물에 직접 첨가될 수 있다. 적합한 충전제의 예는 본 발명에서 전술하였다. 탄산칼슘, 활석, 산화칼슘, 발연 실리카 및 규회석이 바람직하다. 특히 유리한 충전제는 200 ㎛ 이하의 평균 입자 크기 및 0.2 g/cc의 밀도를 갖는 마이크로벌룬(microballoon)이다. 입자 크기는 바람직하게는 25 내지 150 ㎛이고, 밀도는 바람직하게는 0.05 내지 0.15 g/cc이다. 적합한 팽창된 마이크로벌룬으로는 헨켈(Henkel)에서 상표 듀얼라이트(DUALITE, 등록상표)(듀얼라이트는 헨켈 코포레이션의 상표이다)로 상업적으로 시판하는 것이 포함된다. 적합한 중합체 마이크로벌룬의 특정 예로는 듀얼라이트 E065-135 및 듀얼라이트 E130-40D 마이크로벌룬이 포함된다. 또한, 엑스판셀(EXPANCEL, 등록상표) 미소구체와 같은 팽창성 마이크로벌룬이 악조노벨(AkxoNobel)에서 상업적으로 시판된다(엑스판셀은 카스코 어드헤시브 에이비 코포레이션(Casco Adhesive AB Corporation)의 상표이다). 마이크로벌룬은 편리하게 에폭시 조성물의 1 내지 5 중량%, 바람직하게는 1.5 내지 3 중량%의 수준으로 존재한다. 마이크로벌룬은 바람직하게는 하나 이상의 또 다른 충전제, 예를 들면, 활석, 산화칼슘, 규회석, 탄산칼슘, 발연 실리카 및 그의 혼합물과 함께 사용된다.
충전제(3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 중합체의 전술한 반응에 선택적으로 첨가된 것 포함), 유동성 개질제, 겔화제, 증점제 및 안료는 바람직하게는 에폭시 조성물의 중량을 기준으로 5 중량% 이상, 보다 바람직하게는 10 중량% 이상의 응집체 양으로 사용된다. 이들은 바람직하게는 에폭시 조성물의 중량을 기준으로 25 중량% 이하, 보다 바람직하게는 20 중량% 이하의 양으로 존재한다.
1-성분 에폭시 조성물은 에폭시 수지, 촉매 조성물 및 다른 선택적 성분들을 임의의 편리한 순서로 혼합함으로써 제조된다. 다양한 물질들을 보다 쉽게 배합하기 위해 다양한 물질을 연화시키도록 승온을 이용할 수 있지만, 경화제를 용융시키고/시키거나 촉매를 활성화시킬 만큼 충분히 높은 온도를 이용하는 것은 피하는 것이 바람직하다. 그러므로, 온도는 일반적으로, 경화제 및/또는 잠재성 촉매가 존재하는 경우, 배합 공정동안 50 ℃ 미만으로 유지된다.
적용시, 1-성분 에폭시 조성물의 온도는 승온으로 가열되며, 이때 촉매 조성물 중 카복실 암모늄기를 갖는 중합체염은 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산기를 갖는 중합체로 해리된다. 3급 아민 화합물은 방출되어 에폭시 경화를 촉진한다. 동시에, 하나 이상의 카복실산기를 갖는 중합체도 또한 에폭시 경화를 촉진한다.
본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 탁월한 저장 안정성을 갖는다. 우수한 저장 안정성을 갖는 에폭시 조성물은 정상적인 저장 및 이송 조건하에서라면 점도를 단지 서서히 증가시키므로, 포장된 때로부터 수주 또는 수개월의 기간동안 사용가능하게 유지된다. 그러므로, 저장 안정성은 또한 일정 기간동안 한정된 조건하에서 물질을 저장하고 주기적으로 점도를 측정함으로써 평가될 수 있다. 주어진 점도 변화에 대해 더 긴 저장 기간은 더 우수한 저장 안정성을 나타내며, 반대로 불충분한 저장 안정성은 주어진 점도 변화에 대해 더 짧은 저장 기간으로 나타난다. 본 발명에서 저장 기간은 물질의 저장 시작부터 물질의 점도가 10 파스칼·초(Pa·s)에 도달할 때까지의 기간으로 측정된다. 또는, 해당 기간동안 점도 증가가 작을수록 더 우수한 저장 안정성을 나타내며, 반대로 불충분한 저장 안정성은 점도에서 더 큰 증가로 나타난다.
저장 안정성을 측정하기 위해, 아레스(ARES)-G2 전단 레오미터 또는 등가의 레오미터 및 4 ℃/25 mm 평판/원추 시스템을 사용하여 점도를 측정한다. 샘플을 45 ℃에서 5 분동안 컨디셔닝하였다. 전단율을 45 ℃에서 5 분에 걸쳐 0.1/초에서 20/초로 증가시킨 다음, 추가 5 분동안 0.1/초로 다시 감소시킨다. 점도는 10/초에서 측정한다.
본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 23 ℃에서 탁월한 저장 안정성을 갖는다. 23 ℃의 온도에서 공기 대기하에 저장한 후에, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물이 10 Pa·s의 점도에 도달하는 기간은 바람직하게 2 개월 이상, 바람직하게는 3 개월 이상, 보다 바람직하게는 4 개월 이상, 가장 바람직하게는 6 개월 이상이다.
실제 실행시, 이송 및 저장 조건은 종종 엄격하게 제어되지 않으며, 상당히 달라질 수 있다. 에폭시 제품이 비-냉장 창고 및 이송 용기에서 여름의 수개월동안 40 ℃ 이상의 저장 온도와 접하게 되는 것은 드물지 않다.
그러므로, 본 발명의 바람직한 1-성분 에폭시 조성물은 또한 적어도 40 ℃ 정도의 높은 온도에서도 우수한 저장 안정성을 나타낸다. 40 ℃의 온도에서 공기 대기하에 저장한 후, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물이 10 Pa·s의 점도에 도달하는 기간은 바람직하게 1 개월 이상, 바람직하게는 1.5 개월 이상, 보다 바람직하게는 2 개월 이상, 가장 바람직하게는 2.5 개월 이상이다.
본 발명에 따른 1-성분 에폭시 조성물은 밀봉 접착제 및 전자 접착제와 같은 접착제, 구조 및 전기 적층체, 복합 재료, 분말 코팅제, 주물, 항공우주산업용 구조물, 전자 산업용 회로판 등, 풍차 날개로서 뿐 아니라, 스키, 스키 폴, 낚싯대 및 기타 야외 스포츠 장비의 제조에 유용할 수 있다. 본 발명의 에폭시 조성물은 또한 전기용 바니시(varnish), 봉입체(encapsulate), 반도체, 일반적인 몰딩 분말, 필라멘트가 감긴 파이프, 저장 탱크, 펌프용 라이너 및 부식 방지 코팅에도 사용될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 접착제로 사용된다.
접착제로 사용되는 경우, 1-성분 에폭시 조성물은 냉각되어 적용되거나 또는 필요한 경우 가온되어 적용될 수 있다. 상기 조성물은 그를 로봇으로부터 기판 상에 비드 형태로 압출시킴으로써 적용될 수 있거나; 코킹 건(caulking gun)과 같은 수동 적용 방법을 이용하여, 또는 임의의 다른 수동 적용 수단을 이용하여 적용될 수 있다. 1-성분 에폭시 조성물은 또한 스티밍(steaming) 방법 또는 스월(swirl) 기술과 같은 제트 분무 방법을 이용하여 적용할 수 있다. 스월 기술은 펌프, 제어 시스템, 투입 건 조립체, 원격 투입 장치 및 적용 건과 같이 당해 분야에 숙련된 자에게 공지된 장치를 사용하여 적용된다. 1-성분 에폭시 조성물은 스티밍 공정을 이용하여 기판에 적용될 수 있다. 일반적으로, 1-성분 에폭시 조성물은 한쪽 또는 양쪽 기판 모두에 적용된다. 기판은, 접착제가 서로 결합된 기판 사이에 위치하도록 접촉된다.
적용후에, 1-성분 에폭시 조성물은 경화제가 에폭시 수지 조성물의 경화를 개시하는 온도로 가열함으로써 경화된다. 일반적으로, 상기 온도는 80 ℃ 이상, 바람직하게는 100 ℃ 이상이다. 바람직하게, 상기 온도는 220 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 180 ℃ 이하이다.
본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은, 예를 들면, 목재, 금속, 코팅 금속, 알루미늄, 다양한 플라스틱 및 충전 플라스틱 기판, 섬유유리 등을 포함하여 다양한 기판을 결합시키는 접착제로 사용될 수 있다. 한 바람직한 태양에서, 1-성분 에폭시 조성물은 자동차 부품들을 서로 결합시키거나 또는 자동차에 부품을 결합시키기 위해 사용된다. 상기 부품은 강판, 코팅 강판, 아연도금 강판, 알루미늄, 코팅 알루미늄, 플라스틱 및 미분(fined) 플라스틱 기판일 수 있다. 특히 유리한 용도는 자동차 프레임 부품을 서로에 또는 다른 부품에 결합시키는 것이다. 프레임 부품은 흔히 냉간압연강, 아연도금 금속(특히, 갈바닉과 같은 취성 금속) 또는 알루미늄과 같은 금속이다. 프레임 부품에 결합될 부품은 또한 바로 기술한 바와 같은 금속일 수 있거나, 또는 다른 금속, 플라스틱, 복합 재료 등일 수 있다. 특히 유리한 또 다른 용도는 항공기 부품, 특히 외장용 금속 부품 또는 비행동안 주위 대기 조건에 노출되는 다른 금속 부품의 결합이다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 태양들을 예시한다. 모든 부 및 퍼센트는 달리 언급되지 않는 한 중량 기준이다.
경화 특성들은 TA 인스트루먼츠(TA Instruments)의 Q2000 기기 상에서 동적 주사 열량측정법으로 평가하였다. 5 내지 15 mg의 샘플을 무수 질소하에서 시험하였다. 샘플을 10 ℃/분으로 20 ℃에서 250 ℃까지 가열하고, 250 ℃에서 30 분동안 유지시킨 후, 10 ℃/분으로 실온까지 냉각시킨 다음, 10 ℃/분으로 250 ℃까지 재가열하였다. 경화 개시 온도, 피크 발열 온도, 경화된 수지의 Tg, 및 엔탈피를 모두 측정하였다.
점도 측정은 TA 인스트루먼츠의 아레스-G2 전단 레오미터 상에서 및 4 ℃/25 mm 평판/원추 시스템 상에서 수행하였다. 샘플을 45 ℃에서 5 분동안 컨디셔닝하였다. 상기 온도에서 샘플을 유지하면서, 전단율을 5 분에 걸쳐 0.1/초에서 20/초로 증가시킨 후, 동일한 속도로 0.1/초로 다시 감소시켰다. 10/초에서의 점도를 측정하였다. 저장 기간은 물질 저장 시작으로부터 물질의 점도가 10 Pa·s에 도달할 때까지의 기간으로 측정하였다.
촉매 1 내지 7의 제조
촉매를 제조하기 위해 사용된 카복실산기를 갖는 폴리에틸렌을 표 1에 열거하였다. 촉매 1 내지 7은 표 2에 나타낸 배합을 기준으로 제조하였다. 프리마코(등록상표) 3460, 프리마코 3004 및 프리마코 5980i 수지는 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는 에틸렌 아크릴산 공중합체이다(프리마코는 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다). 바이넬(등록상표) 2022 수지는 듀퐁에서 시판하는 산 개질된 에틸 아크릴레이트 수지이다(바이넬은 이.아이. 듀퐁 드 네무어스 앤드 캄파니, 인코포레이티드의 상표이다).
카복실산
(중량%)		 용융지수
(g/10분)		 밀도
(g/cm3)		 비캇 연화
온도 (℃)		 Mw
(g/몰)		 Mn
(g/몰)
프리마코 3460 9.7 20 0.938 72.2 64540 13830
프리마코 3004 9.7 8.5 0.938 81.1 71820 14870
프리마코 5980i 20.5 300 0.958 42.2 25200 7570
바이넬 2022 18 35 0.93 58 데이터
이용불가		 데이터
이용불가
3급 아민 화합물 대 중합체의 당량비는 표 2에 나열하였다. 표 2의 배합을 기준으로, 프리마코 또는 바이넬 2022 수지를 3-목 플라스크에서 25 ml THF에 용해시켰다. 시노팜 케미칼 리에이전트 캄파니 리미티드(Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd, SCRC)의 DMP-30(2,4,6-트리스(다이메틸아미노메틸)페놀), 및 존재하는 경우, 발연 실리카(AEP 972, 데구사(Degussa)의 14 nm 발연 실리카) 및/또는 점토(ASP 170, BASF의 수성 알루미노실리케이트)와 같은 충전제를 플라스크에 가하고 60 ℃에서 1 시간동안 교반하였다. 혼합물을 실온으로 냉각시키고 THF를 증발시켜 제거하였다. 생성된 황색 고체를 건조시키고 분말로 분쇄하였다.
물질 촉매-1 촉매-2 촉매-3 촉매-4 촉매-5 촉매-6 촉매-7
카복실산기
함유 중합체
[유형/(g)]		 프리마코
5980i		 프리마코
5980i		 프리마코
3004		 프리마코
3004		 프리마코
3004		 프리마코
3460		 바이넬
2022
10 10 10 10 10 10 10
DMP-30 (g) 5.0 3.8 1.8 1.8 1.8 1.8 3.3
ASP 170 (g) - - - 1.1 - - -
AEP 972 (g) - 1.5 - - 1.5 - -
당량비
(-N/-COOH)		 2:1 1.5:1 1.5:1 1.5:1 1.5:1 1.5:1 1.5:1
실시예 ( Ex ) 1A 내지 1C
실질적으로 촉매-1과 유사하게 제조된 촉매를 사용하여, 하기의 연구를 수행하였다. 표 3에 나타낸 배합을 기준으로, 촉매-1의 경화 활성을 평가하기 위해 단순한 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다. 배합물은 D.E.R. 331 에폭시 수지, 다이하드(DYHARD, 등록상표) 100SF 경화제(다이하드는 데구사의 상표이다, 데구사의 미분화된 다이시안다이아미드(DICY)) 및 촉매-1을 포함하였다. D.E.R. 331은 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는, 비스페놀 A의 액체 다이글리시딜 에터이다. 이것은 약 187의 에폭시 당량을 갖는다. 3개의 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다(실시예 1A, 1B 및 1C). 상이한 투입량의 촉매-1을 갖는 실시예 1A, 1B 및 1C의 특정 시기에서의 경화 특성 및 점도를 표 3에 나타내었다.
비교 실시예 A
비교 실시예 A 1-성분 에폭시 조성물은 93.7 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5.3 g의 다이시안다이아미드 및 1 g의 기존 잠재성 촉매 다이하드(등록상표) UR 300 촉매(다이하드는 데구사의 상표이다)를 함유하였다. 다이하드 UR 300 촉매는 데구사에서 시판하는 3-페닐-1,1-다이메틸우레아이다.
표 3에서, 샘플 저장 시작 및 샘플의 저장 안정성을 나타내기 위해 표시된 기간동안 특정 온도에서 저장후에 상응하는 실시예 1A 내지 1C 및 비교 실시예 A의 점도를 나타내었다. 주어진 기간동안 보다 적은 점도 증가는 보다 우수한 안정성을 나타내며, 반대로 보다 불충분한 저장 안정성은 점도의 더 큰 증가로 나타난다.
실시예 1A 실시예 1B 실시예 1C 비교 실시예 A
에폭시(g) 93.7 92.3 89.9 93.7
다이시안다이아미드(g) 5.3 5.2 5.1 5.3
촉매(g) 1.0 2.5 5.0 1.0
촉매 배합물 촉매-1 촉매-1 촉매-1 UR 300
개시 온도(℃) 133 126 120 147
피크 온도(℃) 157 154 148 156
엔탈피(J/g) 267 262 259 287
Tg(℃) 139 142 144 132
초기 점도(Pa·s) 1.12 1.16 1.20 1.05
4 주때 점도(Pa·s) 1.15 1.18 1.36 1.06
8 주때 점도(Pa·s) 1.05 1.12 1.45 1.26
13 주때 점도(Pa·s) 1.07 1.27 1.89 2.88
18 주때 점도(Pa·s) 1.04 1.31 3.02 N/A
표 3에 나타낸 바와 같이, 표시된 기간동안 23 ℃에서 저장한 후 1-성분 에폭시 조성물의 점도를 측정하였다. 모든 에폭시 조성물의 초기 점도는 23 ℃에서 1 내지 1.2 Pa·s이었다. 1 중량% UR 300을 갖는 에폭시 조성물의 점도는 8 주 저장에서 시작하여 현저하게 증가한 후, 23 ℃에서 13 주 저장후 2배 이상에 이르렀다. 대조적으로, 2.5 중량% 이하의 촉매-1을 포함하는 에폭시 조성물의 점도는 23 ℃에서 18 주동안 저장한 후에도 뚜렷한 변화를 나타내지 않았다(실시예 1A 및 1B). 그러므로, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 보다 우수한 저장 안정성을 갖는다. 동시에, 2.5 중량% 이하의 촉매-1을 포함하는 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 1 중량% UR 300을 함유한 조성물보다 낮은 경화 개시 온도를 가져, 1-성분 에폭시 조성물이 1 중량% UR 300을 포함하는 1-성분 에폭시 조성물(비교 실시예 A)보다 더 낮은 온도에서 신속하게 경화됨을 시사하였다. 특히, 촉매-1의 함량이 에폭시 조성물 중 5 중량%에 이른 경우(실시예 1C), 경화 개시 온도는 120 ℃ 정도로 낮았고, 시간에 따른 점도 증가도 비교 실시예 A보다 여전히 더 낮았다.
실시예 2 내지 7
실질적으로 촉매 2 내지 7과 유사하게 제조된 촉매를 사용하여, 하기의 연구를 수행하였다. 촉매 2 내지 7의 경화 활성을 평가하기 위해 단순한 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다. 배합물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 1 g의 촉매를 함유하였다. 실시예 2 내지 7로 표시된, 6개의 1-성분 에폭시 조성물 샘플의 경화 특성 및 저장 안정성을 표 4에 기록하였다.
비교 실시예 B
비교 실시예 B 1-성분 에폭시 조성물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 1 g의 다이하드 UR 300 촉매를 함유하였다. 비교 실시예 B 1-성분 에폭시 조성물의 경화 특성 및 저장 안정성을 측정하였다.
비교 실시예 C
비교 실시예 C 1-성분 에폭시 조성물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 1 g의 2,4,6-트리스(다이메틸아미노메틸)페놀을 함유하였다. 비교 실시예 C 1-성분 에폭시 조성물의 경화 특성 및 저장 안정성을 측정하였다.
비교 실시예 D
비교 실시예 D 1-성분 에폭시 조성물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지 및 5 g의 다이시안다이아미드를 함유하였다. 비교 실시예 D 1-성분 에폭시 조성물의 경화 특성을 측정하였다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 샘플 저장 시작으로부터 샘플 점도가 10 Pa·s에 도달할 때까지의 시간으로 나타나는 바와 같은, 특정 온도에서의 저장 안정성을 평가하였다. UR 300 촉매를 함유하는 1-성분 에폭시 조성물(비교 실시예 B)은 145 내지 150 ℃ 범위의 온도에서 경화되었으며, 경화 기간은 23 ℃에서 6 개월이었다. 촉매를 갖지 않는 1-성분 에폭시 조성물은 190 ℃ 정도로 높은 경화 온도를 나타내었다(비교 실시예 D). 더 낮은 온도(예를 들면, 100 ℃)에서 경화시켰음에도, DMP-30을 포함하는 1-성분 에폭시 조성물은 23 ℃에서 3 일 미만의 매우 불량한 저장 안정성을 나타내었다(비교 실시예 C). 놀랍게도, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물의 저장 기간은 4 개월보다 길었으며, 특히 23 ℃ 또는 심지어 40 ℃에서도 종종 7 개월보다 길 수 있다(실시예 2-7). 또한, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은, 경화 개시 온도에 의해 나타나는 바와 같이, 저온(예를 들면, 136 내지 161 ℃)에서 신속하게 경화될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 비교 실시예 C보다 훨씬 더 긴 저장 안정성, 및 비교 실시예 B보다 우수하거나 필적하는 저장 안정성을 갖는다.
실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 비교 실시예 B 비교 실시예 C 비교 실시예 D
촉매
배합물		 촉매-2 촉매-3 촉매-4 촉매-5 촉매-6 촉매-7 UR 300 DMP-30 N/A
개시 온도
(℃)		 161 147 160 141 136 137 147 101 191
피크 온도
(℃)		 190 174 183 172 168 173 156 141 198
엔탈피
(J/g)		 221 278 251 249 259 262 287 280 230
Tg(℃) 138 138 138 138 139 137 132 136 137
40℃에서
저장기간		 >7 개월 >7 개월 >7 개월 >7 개월 >7 개월 4 개월 데이터
이용불가		 데이터
이용불가		 N/A
23℃에서
저장기간		 >7 개월 >7 개월 >7 개월 >7 개월 >7 개월 >4 개월 <6 개월 <3 일 N/A
촉매 8 내지 11의 제조
폴리에터 폴리올(모두 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판)을 사용하여 촉매 8 내지 11을 제조하였다.
보라놀(등록상표) P 1010 폴리올은 2의 평균 작용가, 106 내지 114 mg KOH/g의 OH가 범위 및 1000 g/몰의 Mn을 갖는 폴리프로필렌 글리콜이다(보라놀은 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다).
보라놀 CP1055 폴리올은 152 내지 160 mg KOH/g의 OH가 범위 및 1050 g/몰의 Mn을 갖는 글리세린의 옥시프로필렌 부가물이다.
보라놀 P 400 폴리올은 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는, 2의 평균 작용가, 250 내지 270 mg KOH/g의 OH가 범위 및 400 g/몰의 Mn을 갖는 폴리프로필렌 글리콜이다.
촉매 8 내지 11은 표 5에 나타낸 배합을 기준으로 제조하였다. 폴리에터 폴리올 및 숙신산 무수물을 교반기가 장착된 3-목 플라스크에서 톨루엔에 용해시켰다. 생성된 용액을 교반하고 125 ℃에서 2 시간동안 환류시켰다. 증발에 의해 톨루엔을 제거한 후 투명 용액이 수득되었다. 생성된 용액을 DMP-30 또는 이미다졸과 혼합하고, 60 ℃에서 1 시간동안 교반하였다. 황색 액체가 수득되었다.
촉매-8 촉매-9 촉매-10 촉매-11
폴리에터 폴리올
[유형/(g)]		 P 1010 CP1055 P 1010 P 400
10 10 10 10
숙신산 무수물(g) 2 2.8 3.8 5
DMP-30(g) 5.3 2.5 - 13.25
이미다졸(g) - - 1.3 -
당량비(-N/-COOH) 3:1 1:1 1:1 3:1
실시예 8 내지 11
실질적으로 촉매 8 내지 11과 유사하게 제조된 촉매를 사용하여, 하기의 연구를 수행하였다. 촉매 8 내지 11의 경화 활성을 평가하기 위해 단순한 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다. 배합물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 촉매 8 내지 11 중에서 선택된 촉매 1 g를 함유하였다. 실시예 8-11로 표시된, 4개의 1-성분 에폭시 조성물 샘플을 제조하였다. 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 표 7에 기록된 경화 및 저장 특성을 갖는다.
촉매 12 내지 14의 제조
폴리우레탄으로부터 유도된 촉매 12 내지 14를 표 6에 나타낸 배합을 기준으로 제조하였다. 3-목 플라스크에서, 10 g의 보라스타(VORASTAR, 등록상표) HB 6625(보라스타는 더 다우 케미칼 캄파니의 상표이다), 다이메틸올프로피온산(DMPA, SCRC에서 시판) 및 0.02 g의 다이부틸주석 다이라우레이트를 30 ml THF에 용해시키고 60 ℃에서 5 시간동안 환류시켰다. 생성된 용액을 메톡시폴리에틸렌 글리콜(MPEG-550, SCRC에서 시판)과 혼합하고 60 ℃에서 5 시간동안 더 환류시켰다. DMP-30을 플라스크에 가하고, 60 ℃에서 1 시간동안 교반하였다. THF를 증발시켜 제거한 후 황색 액체가 수득되었다. 보라스타 HB 6625 이소시아네이트는 더 다우 케미칼 캄파니에서 시판하는, 16 중량% NCO를 갖는 메틸렌 다이페닐 다이이소시아네이트(MDI)를 기재로 하는 예비중합체이다.
촉매-12 촉매-13 촉매-14
보라스타 HB 6625 (g) 10 10 10
DMPA (g) 2.5 2.5 1.0
MPEG-550 (g) 10.7 10.7 16.5
DMP-30 (g) 11.0 3.4 0.65
당량비(-N/-COHH) 6.7:1 2:1 1:1
실시예 12 내지 14
실질적으로 촉매 12 내지 14와 유사하게 제조된 촉매를 사용하여, 하기의 연구를 수행하였다. 촉매 12 내지 14의 경화 활성을 평가하기 위해 단순한 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다. 배합물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 촉매 12 내지 14 중에서 선택된 촉매 1 g를 함유하였다. 실시예 12-14로 표시된, 3개의 1-성분 에폭시 조성물 샘플을 제조하였다. 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 표 7에 기록된 경화 및 저장 특성을 갖는다.
표 7에서의 DSC 특성으로부터 보이듯이, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 118 내지 141 ℃ 범위의 Tg하에 127 ℃에서 171 ℃까지 경화되었다. 에폭시 조성물 실시예 8-10, 13-14에 대한 저장 기간은 60 ℃에서 적어도 2 일 이상으로, 비교 실시예 B에비해 필적하거나 훨씬 더 우수한 저장 안정성을 나타낸다. 실시예 11-12는 60 ℃에서 약 1 일 및 23 ℃에서 7 주보다 긴 저장 기간을 나타내었다. 본 발명의 모든 1-성분 에폭시 조성물은 비교 실시예 C보다 훨씬 더 우수한 저장 안정성을 나타낸다. 또한, 더 높은 Mn을 갖는 본 발명의 조성물은 400의 비교적 더 낮은 Mn을 갖는 보라놀 P400으로부터 유도된 촉매를 기재로 하는 1-성분 에폭시 조성물보다 훨씬 더 긴 저장 안정성을 나타낸다(실시예 11).
실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12 실시예 13 실시예 14 비교 실시예 B 비교 실시예 C
촉매
배합물		 촉매-8 촉매-9 촉매-10 촉매-11 촉매-12 촉매-13 촉매-14 UR 300 DMP-30
개시온도
(℃)		 135 133 138 127 128 141 171 147 101
피크온도
(℃)		 159 154 163 147 144 163 186 156 141
엔탈피
(J/g)		 225 317 278 295 243 210 141 287 280
Tg
(℃)		 141 129 129 134 118 121 125 132 136
60℃에서
저장기간		 >3 일 >2 일 2 일 <1 일 >1 일 <4 일 >12 일 2 일 <3 시간
촉매 15 및 16의 제조
표 8에 나타낸 배합을 기준으로 폴리에스테르로부터 유도된 촉매 15 내지 16을 제조하였다. 펜타에리트리톨, 카프로락톤 및 발레로락톤을 실온에서 3-목 플라스크에 첨가하였다. N2 보호하에, 반응물을 150 ℃로 가열하고 4 내지 5 시간동안(락톤의 전환율이 97% 이상이 될때까지) 유지시켰다. 생성된 혼합물을 실온으로 냉각시킨 다음, 숙신산 무수물을 첨가하였다. 온도를 125 ℃로 가열하고 2 시간동안 유지시켜 점성 액체를 수득하였다. 이어서, 상기 반응 시스템을 60 ℃로 냉각시키고 이미다졸을 첨가하고 60 ℃에서 2 시간동안 교반하여 황색 액체를 생성하였다. GPC 분석에 의해 확인되듯이, 수득된 촉매-15는 8745 g/몰의 Mn 및 3.3의 Mw/Mn을 가졌다. 수득된 촉매-16은 5208 g/몰의 Mn 및 3.3의 Mw/Mn을 가졌다.
촉매 17의 제조
표 7에 나타낸 배합을 기준으로 폴리에스터로부터 유도된 촉매-17을 제조하였다. 펜타에리트리톨, 카프로락톤, 발레로락톤 및 숙신산 무수물을 3-목 플라스크에 첨가하였다. N2 보호하에, 온도를 150 ℃ 이하로 가열하고 4 내지 5 시간동안(락톤의 전환율이 97% 이상이 될때까지) 유지시켜 점성 액체를 수득하였다. 상기 반응 시스템을 60 ℃로 냉각시킨 후 이미다졸을 첨가하고 60 ℃에서 2 시간동안 교반하여 황색 액체를 수득하였다. 수득된 중합체는 GPC 분석으로 확인되듯이 3013 g/몰의 Mn 및 4.6의 Mw/Mn을 가졌다.
실시예 15 내지 17
실질적으로 촉매 15 내지 17과 유사하게 제조된 촉매를 사용하여, 하기의 연구를 수행하였다. 촉매 15 내지 17의 경화 활성을 평가하기 위해 단순한 1-성분 에폭시 조성물을 제조하였다. 배합물은 94 g의 D.E.R. 331 에폭시 수지, 5 g의 다이시안다이아미드 및 촉매 15 내지 17 중에서 선택된 촉매 1 g를 함유하였다. 실시예 15-17로 표시된, 3개의 에폭시 조성물 샘플을 제조하였다. 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 표 8에 기록된 바와 같은 경화 및 저장 특성을 갖는다.
표 8에서의 결과에 의해 나타나듯이, 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 135 내지 170 ℃ 범위의 온도에서 경화될 수 있다. 특히, 비교적 더 낮은 Mn을 갖는 촉매는 더 낮은 경화 개시 온도를 갖는 에폭시 조성물을 제공하였다(실시예 17). 본 발명의 1-성분 에폭시 조성물은 탁월한 저장 안정성, 예를 들면, 23 ℃에서 6 개월보다 길고 60 ℃에서 1 주일보다 긴 저장 기간을 갖는다.
실시예 15 실시예 16 실시예 17 비교 실시예 B
촉매 배합물 촉매-15 촉매-16 촉매-17 UR 300
펜타에리트리톨 0.15 0.30 1.0 -
카프로락톤 7.0 7.0 7.0 -
발레로락톤 3.0 3.0 3.0 -
숙신산 무수물 0.15 0.3 2.7 -
이미다졸 0.10 0.24 2.5 -
당량비(-N/-COOH) 2:1 2.4:1 2.7:1 -
에폭시 조성물 특성
개시 온도 (℃) 166 163 139 147
피크 온도 (℃) 186 184 165 156
엔탈피 (J/g) 266 303 272 287
Tg (℃) 135 132 134 132
23℃에서 저장기간 >6 개월 >6 개월 >6 개월 <6 개월
60℃에서 저장기간 >2 주 >2 주 >1 주 2 일

Claims (9)

  1. a) 하나 이상의 에폭시 수지,
    b) 하나 이상의 경화제, 및
    c) 하나 이상의 3급 아민 화합물과, 하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기를 갖는 하나 이상의 중합체와의 반응 생성물을 포함하는 촉매 조성물
    을 포함하는 1-성분 에폭시 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 카복실산 및/또는 무수물기의 중량 기준 함량이, 중합체의 중량을 기준으로 0.1 내지 40%인 에폭시 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    중합체가 폴리올레핀, 폴리에스터, 폴리에터 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택되는 에폭시 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    중합체가 에틸렌 아크릴산 공중합체를 포함하는 에폭시 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    에틸렌 아크릴산 공중합체의 비캇(Vicat) 연화 온도가 40 ℃보다 높은 에폭시 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    3급 아민 화합물이 아미노페놀 및 이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 에폭시 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    3급 아민 화합물 대 중합체의 당량비가 0.1 내지 10인 에폭시 조성물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    3급 아민 화합물 대 중합체의 당량비가 0.4 내지 5인 에폭시 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    에폭시 조성물의 중량을 기준으로 0.1 내지 30 중량%의 촉매 조성물을 포함하는 에폭시 조성물.
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