JP6834421B2 - 一液湿気硬化型ポリウレタン組成物 - Google Patents
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Description
特許文献1には、プライマーを用いずともガラス、金属、プラスチック及び塗装鋼板等との接着性に優れ、さらに硬化性、貯蔵安定性にも優れる湿気硬化型ポリウレタン組成物の提供を目的として、(A)ウレタンプレポリマーと、(B)キシレンジイソシアネート、1,3−あるいは1,4−ジ(イソシアネートメチル)シクロヘキサン及びそれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種と活性水素を3個以上有する化合物との反応物と、2級アミノアルコキシシランのうち窒素原子に直接芳香環又はその誘導体が結合した化合物とを付加させて得られるシラン化合物(B−1)、及びイソシアネート基を2個又は3個有するリジンイソシアネートと、2級アミノアルコキシシランのうち窒素原子に直接芳香環又はその誘導体が結合した化合物とを付加させて得られるリジン骨格を有するシラン化合物(B−2)からなる群から選ばれる少なくとも1種のシラン化合物と、(C)モルフォリン構造及び/又はジメチルアミノ基構造を有する3級アミン系触媒の少なくとも1種と、(D)有機錫系化合物とを含む湿気硬化型ポリウレタン組成物が記載されている。
そこで、本発明は長期的な、耐候性及び振動性に対する接着性に優れる一液湿気硬化型ポリウレタン組成物を提供することを目的とする。
本発明は上記知見等に基づくものであり、具体的には以下の構成により上記課題を解決するものである。
モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物と、
ジメチルアミノ基を2個有するエーテル化合物と、を含む、一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
2. 上記モルフォリン化合物の含有量が、上記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.02〜1.6質量部であり、
上記エーテル化合物の含有量が、上記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.002〜0.16質量部である、上記1に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
3. 上記モルフォリン化合物が、ジメチルアミノエチルモルフォリンである、上記1又は2に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
4. 上記エーテル化合物が、ビス(ジメチルアミノエチル)エーテルである、上記1〜3のいずれかに記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
5. さらに、亜リン酸エステル化合物、亜ホスホン酸エステル化合物、亜ホスフィン酸エステル化合物及びホスフィン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機リン化合物を含む、上記1〜4のいずれかに記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
6. 上記有機リン化合物の含有量が、上記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.01〜1.0質量部である、上記5に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
7. 上記有機リン化合物が、トリフェニルホスフィンである、上記5又は6に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
なお、本明細書において、長期的な、耐候性及び振動性に対する接着性を接着性と称する場合がある。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、特に断りのない限り、各成分はその成分に該当する物質をそれぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。成分が2種以上の物質を含む場合、成分の含有量は、2種以上の物質の合計の含有量を意味する。
本明細書において、長期的な、耐候性及び振動性に対する接着性がより優れることを、本発明の効果がより優れるということがある。
本発明の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物(本発明の組成物)は、
イソシアネート基を有するウレタンプレポリマーと、
モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物と、
ジメチルアミノ基を2個有するエーテル化合物と、を含む、一液湿気硬化型ポリウレタン組成物である。
一般的に、モルフォリン環を複数(2個以上)有する化合物(ポリモルフォリン化合物)は、モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物(モノモルフォリン化合物)よりもウレタンプレポリマーに対する触媒活性が高い。
このため、ウレタンプレポリマー及び充填剤(例えばカーボンブラック等)を含有する組成物がポリモルフォリン化合物を含有する場合、上記の触媒活性の高さからポリモルフォリン化合物はウレタンプレポリマーに配位しやすく、配位後のウレタンプレポリマーはモルフォリン環による立体障害を有するので、充填剤に接近しにくくなる。このように、ポリモルフォリン化合物を含有する上記組成物は充填剤に対して濡れにくいと考えられる。
ここで、上記充填剤を基材(被着体)に置き換えて考えると、上記組成物は、基材(被着体)に対して濡れにくく、接着性が低いと考えられる。
また、上記の触媒活性の高さからポリモルフォリン化合物の添加量は少なく、このことによっても濡れ性が低下すると本発明者らは推定する。
ここで、上記充填剤を基材(被着体)に置き換えて考えると、上記組成物は基材(被着体)に対して濡れやすく、接着性に優れると考えられる。
また、上記の触媒活性の低さからモノモルフォリン化合物はその添加量を多くできる。このため、上記組成物は充填剤及び基材に対して濡れやすい、又は、より濡れやすくなると考えられる。
さらに、本発明の組成物は、上記モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物以外に、モルフォリン環よりも立体障害の小さいジメチルアミノ基を2個有するエーテル化合物を含有するため、充填剤及び基材に対して濡れやすいと推定する。
このように、本発明の組成物は、触媒として、モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物と、ジメチルアミノ基を2個有するエーテル化合物とを併用することによって、接着性に優れると考えられる。
以下、本発明の組成物に含有される各成分について詳述する。
本発明の組成物は、イソシアネート基を有するウレタンプレポリマーを含有する。
ウレタンプレポリマーはイソシアネート基を末端に有することが好ましい態様の1つとして挙げられる。
1分子のウレタンプレポリマーは、イソシアネート基を複数有することが好ましく、イソシアネート基を2個有することがより好ましい。
イソシアネート基の含有量は、ウレタンプレポリマー全量に対して0.5〜5質量%が好ましい。
ウレタンプレポリマーの製造の際に使用されるポリイソシアネートとしては、例えば、トリレンジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI;例えば、4,4′−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)、1,4−フェニレンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート、キシリレンジイソシアネート(XDI)、テトラメチルキシリレンジイソシアネート(TMXDI)、トリジンジイソシアネート(TODI)、1,5−ナフタレンジイソシアネート(NDI)、トリフェニルメタントリイソシアネートのような芳香族ポリイソシアネート;
ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート(TMHDI)、リジンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート(NBDI)、トランスシクロヘキサン−1,4−ジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ビス(イソシアネートメチル)シクロヘキサン(H6XDI)、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(H12MDI)のような、脂肪族ポリイソシアネート(脂環式ポリイソシアネートを含む);
これらのカルボジイミド変性ポリイソシアネート;
これらのイソシアヌレート変性ポリイソシアネートが挙げられる。
活性水素化合物としては、例えば、1分子中に2個以上の水酸(OH)基を有するポリオール化合物等が好適に挙げられ、中でも、ポリオール化合物であることが好ましい。
ポリエーテルポリオールとしては、例えば、ポリオキシエチレンジオール(ポリエチレングリコール)、ポリオキシプロピレンジオール(ポリプロピレングリコール:PPG)、ポリオキシプロピレントリオール、エチレンオキサイド/プロピレンオキサイド共重合体、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMEG)、ポリテトラエチレングリコール、ソルビトール系ポリオール等が挙げられる。
ポリエーテルポリオールの重量平均分子量は、イソシアネートとの反応によって得られるウレタンプレポリマーの粘度が常温において適度な流動性を有することができるという観点から、500〜20,000であることが好ましい。本発明において上記重量平均分子量は、GPC法(溶媒:テトラヒドロフラン(THF))により得られたポリスチレン換算値である。
ウレタンプレポリマーはそれぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の組成物に含有されるモルフォリン化合物は、モルフォリン環を1個有する。
モルフォリン環が有する窒素原子には、ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が結合することが好ましい。
炭化水素基は特に制限されない。例えば、脂肪族炭化水素基(直鎖状、分岐状及び脂環式を含む。)、芳香族炭化水素基、並びに、これらの組合せが挙げられる。
ヘテロ原子としては、例えば、酸素原子、窒素原子、硫黄原子が挙げられる。
モルフォリン化合物を構成する窒素原子は第3級アミンを形成することが好ましい態様の1つとして挙げられる。
R1は炭素数1〜8のアルキレン基が好ましく、エチレン基がより好ましい。
R2は炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、メチル基がより好ましい。R3も同様である。
モルフォリン化合物の含有量は、本発明の効果により優れ、耐発泡性、糸切れ性又は貯蔵安定性に優れるという観点から、ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.02〜1.6質量部が好ましく、0.3〜1.0質量部がより好ましい。
本発明の組成物に含有されるエーテル化合物は、ジメチルアミノ基を2個有し、かつ、エーテル結合を有する化合物である。
なお、上記エーテル化合物は上記モルフォリン化合物を含まない。
ジメチルアミノ基は、エーテル結合を構成する酸素原子に結合する炭化水素基と結合することができる。炭化水素基は特に制限されない。例えば、上記と同様のものが挙げられる。
R4は炭素数1〜6のアルキレン基が好ましく、エチレン基がより好ましい。R5も同様である。
エーテル化合物の含有量は、本発明の効果により優れ、糸切れ性に優れるという観点から、ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.002〜0.16質量部が好ましく、0.008〜0.10質量部がより好ましい。
ウレタンプレポリマー100質量部に対して使用される、モルフォリン化合物の含有量:x質量部とエーテル化合物の含有量:y質量部とは、本発明の効果により優れ、糸切れ性、耐発泡性又は貯蔵安定性に優れるという観点から、下記式(3)を満たすことが好ましい。
0.2≦x+10y≦1.8 (3)
本発明の組成物は、糸切れ性に優れるという観点から、さらに、亜リン酸エステル化合物、亜ホスホン酸エステル化合物、亜ホスフィン酸エステル化合物及びホスフィン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機リン化合物を含むことが好ましく、ホスフィン化合物がより好ましい。
有機リン化合物がリン原子以外に有する有機基は特に制限されない。例えば、酸素原子、炭化水素基及びこれらの組合せが挙げられる。炭化水素基は特に制限されない。例えば、脂肪族炭化水素基(直鎖状、分岐状及び脂環式を含む。)、芳香族炭化水素基、並びに、これらの組合せが挙げられる。
有機リン化合物が有するリン原子に上記有機基の他にさらに水素原子が結合してもよい。
本明細書において、ホスフィン化合物は、PH3が有する水素原子のうちの少なくとも1個又は全部が炭化水素基に置換された化合物を意味する。
ホスフィン化合物としては、例えば、トリフェニルホスフィン(TPP)、トリオルトトリルホスフィン、トリメタトリルホスフィン、トリパラトリルホスフィン、トリス−4−メトキシフェニルホスフィンのような、リン原子に3個の芳香族炭化水素基が結合するホスフィン化合物;
ジフェニルシクロヘキシルホスフィン、ジシクロヘキシルフェニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィンのような、1分子中にリン原子を1個有し、上記リン原子に芳香族炭化水素基及び脂肪族炭化水素基を3個有するホスフィン化合物;
トリオクチルホスフィン、トリブチルホスフィンのような、リン原子に3個の脂肪族炭化水素基を有するホスフィン化合物;
1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4−ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタンのような1分子中にリン原子を複数有するホスフィン化合物などが挙げられる。
有機リン化合物の含有量は、本発明の効果により優れ、糸切れ性に優れるという観点から、ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.01〜1.0質量部が好ましく、0.08〜0.8質量部がより好ましい。
本発明の組成物は、さらに、第3級アミンを含有することができる。
なお、上記第3級アミンは、上記モルフォリン化合物及び上記エーテル化合物を含まない。
上記第3級アミンは、3つの炭化水素基が1つの窒素原子に結合する化合物である。
上記(x+10y)/2におけるxは、ウレタンプレポリマー100質量部に対して使用されるモルフォリン化合物の含有量(質量部)である。
上記(x+10y)/2におけるyは、ウレタンプレポリマー100質量部に対して使用されるエーテル化合物の含有量(質量部)である。
本発明の組成物はさらに金属触媒を含有することができる。
上記金属触媒はイソシアネート基の反応を促進できる化合物であれば特に制限されない。例えば、有機金属触媒、有機基を有さない金属のみからなる金属触媒(無機金属触媒ともいう)が挙げられる。
金属触媒が有する金属としては、例えば、錫、ビスマス、チタンが挙げられる。
充填剤の含有量は、ウレタンプレポリマー100質量部に対して、10〜120質量部が好ましい。
可塑剤の含有量は、ウレタンプレポリマー100質量部に対して、10〜120質量部が好ましい。
本発明の組成物がモルフォリン環を複数有する化合物を実質的に含有しないとは、モルフォリン環を複数有する化合物の含有量がウレタンプレポリマー100質量部に対して0〜0.01質量部であることを意味する。
本発明の組成物はその製造方法について特に制限されない。例えば、上記必須成分を混合することによって製造することができる。必要に応じて任意成分を上記必須成分に加えて混合してもよい。
本発明の組成物は、1液型である。
本発明の組成物は、湿気によって硬化することができる。本発明の組成物は、例えば、大気中の湿気によって−20〜+50℃の条件下で硬化することができる。
なお、本発明において「一液湿気硬化型ポリウレタン組成物」のポリウレタンは、広義のポリウレタン、つまり、イソシアネート基から誘導される化合物を意味する。
本発明の組成物を適用することができる被着体(基材)は特に制限されない。例えば、金属(塗板、電着塗装鋼板を含む。)、プラスチック、ゴム、ガラスが挙げられる。
被着体に対して必要に応じてプライマーを使用してもよい。プライマーは特に制限されない。例えば、イソシアネート基、及び/又は、アルコキシシリル基のような加水分解性シリル基を有する化合物を含有する組成物が挙げられる。
<組成物の製造>
下記第1表の各成分を同表に示す組成(質量部)で用いて、これらを撹拌機で混合し、組成物を製造した。
なお、第1表におけるウレタンプレポリマーの量はウレタンプレポリマーの正味の量である。
上記のとおり製造された各組成物を用いて以下の評価を行った。結果を第1表に示す。
(接着性)
・評価サンプルの作製
被着材としてガラス(縦25mm×横100mm×厚み0.8mm)を1枚準備した。上記のとおり製造された各組成物を室温下で上記ガラスに塗布した。電着塗装鋼板(電着塗料の商品名GT−10LF、関西ペイント社製。プライマー無し)を上記ガラスと重ね合わせて両被着体を圧着した。上記電着塗装鋼板と上記ガラスとの接合部(電着塗装鋼板とガラスとが重なる部分)の長さを10mmとした。接合部における組成物の厚さは5mmであった。上記圧着後、これを、20℃、65%RHの条件下に7日間おいて、評価用サンプルを作製した。
・・サイクル試験
まず上記のとおり作製された各評価サンプルを用いて、下記の一連の条件Aを20サイクル繰り返すサイクル試験を行った。
・・・一連の条件A
まず、上記各評価サンプルを、−30℃の条件下に3時間置き、次いで20℃、65%RHの条件下に0.5時間置き、次いで100℃の条件下に20時間置き、最後に20℃、65%RHの条件下に0.5時間置いた。上記を一連の条件Aという。上記一連の条件Aを1サイクルとする。
上記サイクル試験の後の評価サンプルに対して、振動を、せん断応力150N、振動数10Hzの条件下で100万回与える振動試験を行った。
上記振動試験の後の各評価サンプルを用いて、JIS K6850:1999に準じて引張速度200mm/分、20℃の条件下で引張剪断試験を行った。
引張剪断試験後の各評価サンプルにおいて、接着剤(組成物が硬化した部分)が凝集破壊した場合を接着性(長期的な、耐候性及び振動性に対する接着性)に優れると評価し、これを「○」と表示した。
各評価サンプルにおいて、接着剤が凝集破壊しなかった場合(例えば、評価サンプルにおいて接着剤が界面破壊した場合、又は、振動試験中に評価サンプルが破壊した場合)を接着性が悪いと評価し、これを「×」と表示した。
また、サイクル/振動複合試験後の接着性を、長期的な、耐候性及び振動性に対する接着性として評価した。
・発泡試験
縦15cm、横2.5cmの電着塗装鋼板(電着塗料の商品名GT−10LF、関西ペイント社製)にプライマー(商品名M(RC−50E)、横浜ゴム社製)を塗布した。
一方、縦15cm、横2.5cmのガラスにプライマー(商品名G(MS−90):横浜ゴム製)を塗布した。
上記のとおり製造された各組成物を、プライマー塗布した上記ガラスに塗布し、これにプライマー塗布した上記鋼板を重ねて、圧締し、耐発泡性評価用サンプルを作製した。
上記耐発泡性評価用サンプルにおいて、上記ガラスと上記鋼板との間の組成物の厚さは5mmであり、上記ガラスと上記鋼板との重なり部分の長さは10cmであった。
上記のとおり作製した耐発泡性評価用サンプルを、35℃、90%RHの条件下で硬化させた。
硬化後の耐発泡性評価用サンプルを切り開き、組成物の硬化物において発泡が存在するか否かを目視で確認した。
上記硬化物において発泡がなかった場合、耐発泡性に優れると評価し、これを「○」と表示した。
発泡が接着界面にあり、上記硬化物(接着剤)全体に対する発泡部分の面積が10%以下の場合、耐発泡性がやや悪いと評価し、これを「△」と表示した。
発泡が接着界面にあり上記硬化物(接着剤)全体に対する発泡部分の面積が10%よりも大きい場合、又は、界面以外に気泡が見られた場合、耐発泡性が非常に悪いと評価し、これを「×」と表示した。
・吐出試験
上記のとおり製造された各組成物を35℃に加温し、これをロボット塗布装置に投入した。ロボット塗布装置はノズルを有し、上記ノズルはその先端の側面にカット部(カット部の形状は底辺8mm、高さ12mmの2等辺三角形)を有する。
基材の上で300mm/分の速度で上記ノズルを移動させながら、上記カット部から上記加温した各組成物を2,000g/分の速度で基材の上に吐出して、上記各組成物を基材の上に付与した。組成物はノズルによって断面として底辺8mm、高さ12mmの2等辺三角形を有する三角柱の形状で基材上に付与された。
吐出開始後、ノズルから組成物の吐出を止め、ノズルの移動は上記のとおりに続けた。
ノズルから組成物の吐出を止めた後、基材の上に付与された組成物とノズルの間で組成物が糸切れするまで、ノズルの移動を続けた。
組成物が糸切れした後、ノズルの移動を停止した。
ノズルの移動を停止後、ノズルの先端において、ノズルのカット部から出ている組成物の長さ(ノズルのカット部から上記組成物の先端まで)を測定した。ノズルの先端に残った組成物の先端がカーブしている場合は、カット部から出ている組成物及びノズルを側面から見て、カット部から出ている組成物の中心線に沿って、ノズルのカット部から出ている組成物の長さを測定した。
測定された上記長さが30mm以下であった場合、糸切れ性に非常に優れると評価し、これを「○」と表示した。
上記長さが30mmを超え50mm以下であった場合、糸切れ性にやや優れると評価し、これを「△」と表示した。
上記長さが50mmを超えた場合、糸切れ性が悪いと評価し、これを「×」と表示した。
糸切れ性に優れることによって、基材の上において組成物の塗布が要求されていない部分に組成物が付着して基材上を組成物で汚すことがなく、作業性に優れる。
・ウレタンプレポリマー:ポリオキシプロピレンジオール(重量平均分子量2000)500g、ポリオキシプロピレントリオール(重量平均分子量5000)750g、および4,4′−ジイソシアネートフェニルメタン(分子量250)214gを混合し(この時NCO/OH=1.8)、さらにフタル酸ジイソノニル160gを加えて、窒素気流中、80℃で24時間撹拌を行い、反応させて、イソシアネート基を1.95%含有するウレタンプレポリマーを合成した。
・炭酸カルシウム:重質炭酸カルシウム、商品名Super SS、丸尾カルシウム社製
・可塑剤:フタル酸ジイソノニル
・金属触媒:ジオクチル錫ジラウレート(ネオスタンU−810、日東化成社製)
・モルフォリン化合物2(エチルモルフォリン):エチルモルフォリン、関東化学社製
また、所定のモルフォリン化合物を含有せず代わりにモルフォリン環を複数有する化合物を含有し、所定のエーテル化合物を含有する比較例2、3は接着性が低かった。
所定のエーテル化合物を含有しない比較例4は接着性が低かった。
また、所定のモルフォリン化合物及びモルフォリン環を複数有する化合物を含有し、所定のエーテル化合物を含有しない比較例5、6は接着性が低かった。
また、本発明の組成物がさらに所定の有機リン化合物を含有する場合(実施例15〜19)、上記有機リン化合物を含有しない場合(実施例1〜14、20、21)よりも、糸切れ性に優れた。
実施例1〜11と実施例12との比較から、モルフォリン化合物の含有量がウレタンプレポリマー100質量部に対して0.02〜1.6質量部である場合(実施例1〜11)、1.7質量部である場合(実施例12)よりも糸切れ性に優れた。
実施例1〜11と実施例13、14との比較から、モルフォリン化合物及びエーテル化合物の含有量が上記式(3)を満たす場合、上記式(3)を満たさない場合(実施例13、14)よりも、耐発泡性又は糸切れ性に優れた。
Claims (7)
- イソシアネート基を有するウレタンプレポリマーと、
モルフォリン環を1個有するモルフォリン化合物と、
ジメチルアミノ基を2個有するエーテル化合物と、
有機錫触媒とを含み、
前記エーテル化合物が、下記式(2)で表される化合物であり、
前記エーテル化合物の含有量が、前記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.002〜0.15質量部であり、
前記有機錫触媒の含有量が、前記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.001〜1.0質量部である、一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- 前記モルフォリン化合物の含有量が、前記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.02〜1.6質量部である、請求項1に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- 前記モルフォリン化合物が、ジメチルアミノエチルモルフォリンである、請求項1又は2に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- 前記エーテル化合物が、ビス(ジメチルアミノエチル)エーテルである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- さらに、亜リン酸エステル化合物、亜ホスホン酸エステル化合物、亜ホスフィン酸エステル化合物及びホスフィン化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の有機リン化合物を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- 前記有機リン化合物の含有量が、前記ウレタンプレポリマー100質量部に対して、0.01〜1.0質量部である、請求項5に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
- 前記有機リン化合物が、トリフェニルホスフィンである、請求項5又は6に記載の一液湿気硬化型ポリウレタン組成物。
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