説明

紫外線硬化型粉体塗料組成物

【課題】 紫外線硬化性に優れ、密着性、耐水性、耐薬品性等に優れた塗膜を形成することができる紫外線硬化型粉体塗料組成物を得る。
【解決手段】 ウレタン樹脂中のカルボキシル基に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのエポキシ基を反応させ、この反応によって生成する水酸基に、さらにイソシアネート基含有(メタ)アクリレートのイソシアネート基を反応させて得られるウレタン樹脂をバインダー成分として含有することを特徴としている。

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線硬化型粉体塗料組成物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】粉体塗料は、有機溶剤を含まないため揮散分が少ない環境対応型の塗料として、また、過剰の粉体塗料が回収再利用できるリサイクル塗料として脚光を浴びている。
【0003】粉体塗料は、静電塗装法などの塗装方法によって、被塗物上に粉体を付着させた後、加熱溶融することにより連続した塗膜を形成させている。耐薬品性などの塗膜物性が求められる用途においては、熱硬化型の粉体塗料が用いられている。熱硬化型粉体塗料の場合は、粉体を加熱溶融すると、塗膜化するとともに、熱硬化反応が進行し、塗膜が硬化する。
【0004】現在、一般的に用いられている粉体塗料は、上記のような熱硬化型粉体塗料であるが、粉体塗料の用途によっては、紫外線照射により硬化する紫外線硬化型粉体塗料が求められる場合がある。従来の紫外線硬化型粉体塗料は、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂中に存在する水酸基またはカルボキシル基などに、イソシアネート基またはグリシジル基などを反応させることにより、光重合性官能基である(メタ)アクリル基を導入したものが知られている(特表平11−511201号公報、特開平8−301957号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来の紫外線硬化型粉体塗料においては、被塗物に対する塗膜の密着性や、耐水性、耐薬品性等において不十分であるという問題があった。
【0006】本発明の目的は、紫外線硬化性に優れ、密着性、耐水性、耐酸性、耐アルカリ性などの耐薬品性等に優れた塗膜を形成することができる紫外線硬化型粉体塗料組成物を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の紫外線硬化型粉体塗料組成物は、ウレタン樹脂中のカルボキシル基(カルボン酸基)に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのグリシジル基中のエポキシ基を反応させ、この反応によって生成する水酸基に、さらにイソシアネート基含有(メタ)アクリレートのイソシアネート基を反応させて得られるウレタン樹脂をバインダー成分として含有することを特徴としている。
【0008】本発明では、ウレタン樹脂中のカルボキシル基に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートを反応させ、1つ目の(メタ)アクリレート基を導入した後、さらにイソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させて、2つ目の(メタ)アクリレート基を導入している。従って、ウレタン樹脂中の1つのカルボキシル基を用いて、2つの光重合性官能基を導入している。このため、従来の紫外線硬化型粉体塗料のバインダー成分に比べ、多くの光重合性官能基を有しているので、紫外線硬化性に優れている。従って、耐水性、耐薬品性等に優れた塗膜を形成することができる。
【0009】また、本発明においては、ウレタン樹脂をバインダー成分として含有しているため、樹脂骨格中に含まれるウレタン結合により、被塗物に対して良好な密着性を得ることができる。なお、本発明におけるウレタン樹脂は、樹脂の主鎖中にウレタン結合を有する樹脂のみならず、ポリエステル樹脂などのその他の樹脂にウレタン結合を導入させた変性ウレタン樹脂も含まれる。
【0010】本発明において、ウレタン樹脂中のカルボキシル基に反応させるグリシジル基含有(メタ)アクリレートは、グリシジル基と(メタ)アクリレート基を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、グリシジルメタアクリレートやグリシジルアクリレートなどが挙げられる。
【0011】本発明においては、上記のカルボキシル基とグリシジル基中のエポキシ基との反応によって生成する水酸基に、さらにイソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させる。イソシアネート基含有(メタ)アクリレートとしては、イソシアネート基と(メタ)アクリレート基を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、(メタ)アクリロイルオキシエチルイソシアネートなどの(メタ)アクリロイルオキシアルキルイソシアネートや(メタ)アクリロイルイソシアネートなどが挙げられる。また、他の例としては、ジイソシアネート化合物の一方のイソシアネート基に、水酸基含有(メタ)アクリレート基の水酸基を反応させて得られるアダクト化合物などが挙げられる。ジイソシアネート化合物としては、ジフェニルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、p−フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、及び水添キシリレンジイソシアネートなどが挙げられる。水酸基含有(メタ)アクリレートとしては、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシメチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
【0012】本発明の他の局面に従う紫外線硬化型粉体塗料組成物は、末端に以下に示す式(1)の構造の光重合性官能基を有するウレタン樹脂をバインダー成分として含有することを特徴としている。
【0013】
【化4】


【0014】(式中、R1 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、R2 は以下の式(2)または(3)で示される光重合性官能基であり、nは1〜4の整数である。)
【0015】
【化5】


【0016】(ここで、R3 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、R4 は炭素数1〜4のアルキル基である。)
【0017】
【化6】


【0018】(ここで、R5 は脂肪族あるいは芳香族炭化水素基であり、R6 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、mは1〜4の整数である。)
上記の式(1)の構造の光重合性官能基を有するウレタン樹脂は、例えば、上記本発明におけるウレタン樹脂と同様にして製造することができる。すなわち、ウレタン樹脂中のカルボキシル基に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのエポキシ基を反応させた後、この反応によって生成する水酸基に、イソシアネート基含有(メタ)アクリレートのイソシアネート基を反応させることにより得ることができる。
【0019】具体的には、以下の反応式に示すように、まずウレタン樹脂中のカルボキシル基に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのエポキシ基を反応させる。
【0020】
【化7】


【0021】上記の反応によって、以下に示すような構造が、ウレタン樹脂のカルボキシル基に導入される。
【0022】
【化8】


【0023】上記のようにしてカルボキシル基とエポキシ基の反応によって生成した2級水酸基に、イソシアネート基含有(メタ)アクリレートのイソシアネート基を反応させる。
【0024】イソシアネート基含有(メタ)アクリレートとしては、以下に示すような(メタ)アクリロイルオキシアルキルイソシアネート及び(メタ)アクリロイルイソシアネートや、
【0025】
【化9】


【0026】
【化10】


【0027】以下に示すような、ジイソシアネート化合物の一方のイソシアネート基に、水酸基含有(メタ)アクリレートの水酸基を反応させて得られるアダクト化合物が挙げられる。
【0028】
【化11】


【0029】上記の式(3)や(化11)の式中におけるR5 は、具体的には、ジイソシアネート化合物からイソシアネート基を除いた残基である。上記のようなイソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させることにより、上記の式(1)に示す構造の光重合性官能基を有するウレタン樹脂を得ることができる。
【0030】本発明において、グリシジル基含有(メタ)アクリレート及びイソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させる前の原料のウレタン樹脂は、一般的な合成方法により合成することができる。例えば、多価アルコールにジイソシアネート化合物を反応させウレタン樹脂を合成した後、これにジカルボン酸化合物を反応させて末端にカルボキシル基を導入したウレタン樹脂を用いることができる。また、末端にカルボキシル基を有するポリエステル樹脂の水酸基にジイソシアネートを反応させ、ウレタン結合を導入してウレタン樹脂としたものを用いてもよい。
【0031】ウレタン樹脂中のカルボキシル基の量としては、酸価が10〜120mgKOH/gとなる程度であることが好ましい。酸価がこれよりも小さいと、カルボキシル基の量が少なくなるので、光重合性官能基の導入量が少なくなるため、紫外線硬化性が低くなりすぎる場合がある。また、酸価が高すぎると、グリシジル基含有(メタ)アクリレートを反応させた後にも、カルボキシル基が残存する場合があり、樹脂の耐食性が悪くなる場合がある。
【0032】グリシジル基含有(メタ)アクリレート及びイソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させた後のウレタン樹脂の数平均分子量は、1000〜10000程度であることが好ましく、さらに好ましくは2000〜10000であり、さらに好ましくは3500〜6000である。数平均分子量が低すぎると、耐ブロッキング性が劣る場合があり、数平均分子量が高くなりすぎると、粉体塗料を加熱溶融する際のフロー性が低下する場合がある。
【0033】本発明において、ウレタン樹脂中のカルボキシル基と、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのエポキシ基を反応させる際の反応条件は、一般的な酸−エポキシ反応の条件と同様にして行うことができる。反応温度は、例えば、100〜160℃で行う。また、酸−エポキシ反応に用いられる一般的な触媒を用いることが好ましい。例えば、フェニルイミダゾリン等のアミン含有触媒、トリフェニルホスフィン等のホスフィン類、テトラブチルアンモニウムブロマイド等の4級アンモニウム塩等の触媒を用いることができる。その添加量は、例えば、0.01〜1.0重量%である。
【0034】また、反応の際、重合禁止剤を添加することが好ましい。このような重合禁止剤としては、フェノチアジン、ハイドロキノン、t−ブチルヒドロキシトルエン等のラジカル重合禁止剤を用いることができる。その添加量は、例えば、0.01〜1.0重量%である。
【0035】また、上記カルボキシル基とエポキシ基の反応によって生じた水酸基に、イソシアネート基含有(メタ)アクリレートを反応させる際の条件は、一般的な水酸基−イソシアネート基の反応条件と同様にすることができる。例えば、反応温度は80〜150℃程度であることが好ましく、なるべく低温であることが好ましい。また、必要に応じて、スズ系等の一般的な触媒を用いることができる。
【0036】本発明の紫外線硬化型粉体塗料組成物は、上記のようにして(メタ)アクリレート基を導入したウレタン樹脂をバインダー成分として用い、光重合開始剤及びその他の添加物を添加することにより製造することができる。
【0037】光重合開始剤としては、紫外線硬化型樹脂に一般的に用いられる光重合開始剤を単独、または2種以上組み合わせて用いることかできる。具体的には、芳香族カルボニル化合物、アントラキノン及びその誘導体、チオキサントン及びその誘導体、ベンゾインエーテル及びその誘導体、アルファージオン及びその誘導体、ベンジルアルキルアセタール及びその誘導体、アセトフェノン誘導体、ホスフィンオキサイド類などが挙げられる。必要に応じて光増感剤も使用することができる。
【0038】その他の添加剤としては、顔料、表面調整剤、フロー剤等の粉体塗料に必要な添加剤を添加することができる。粉体塗料の製造方法としては、一般的な製造方法を用いることができ、例えば、バインダー成分と、光重合開始剤、その他の添加剤を溶融混練して混合した後、これを粉砕し、ふるいに通して製造することができる。また、その他の製造方法により粉体塗料としてもよい。
【0039】本発明の粉体塗料の体積平均粒子径は5〜50μmであることが好ましく、巨大粒子や微小粒子を除去して粒度分布を調整するために篩い分けによる分級を行った方が好ましい。薄膜塗装や立体構造物の塗装に用いる場合には体積平均粒子径が5〜40μmであることが好ましい。特に薄膜で平滑な塗膜を得ようとする場合には、5〜30μmが好ましい。なお、上記体積平均粒子径は、粒度分析計(例えば、日機装社製 マイクロトラックHRA X−100)により測定することができる。
【0040】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【0041】(合成例1)
第1段階:末端にカルボン酸基(カルボキシル基)を有するポリエステル樹脂の合成1,6−ヘキサンジオール163g、ネオペンチルグリコール408g、トリメチロールプロパン72g、ジメチルテレフタル酸1024g、及びジブチルスズオキサイド0.8gを、2リットルの反応容器に仕込み、窒素雰囲気下で180℃まで加熱し、それから徐々に210℃まで加熱した。反応容器としては、攪拌機及び水冷コンデンサーを取り付けたデカンター、窒素導入管、及び温度調節機に連結した温度計が取り付けられたものを用いた。
【0042】なお、150℃を超えた時点で生成したメタノールが蒸留され始めた。その後210℃まで昇温させ、この温度を3時間保持した。その後、150℃まで冷却し無水フタル酸343gを添加し、酸価が39(mgKOH/g)になるまで2時間保持した。得られたポリエステル樹脂は、酸価39(mgKOH/g)、水酸基価61.5(mgKOH/g)、数平均分子量1500であった。
【0043】第2段階:ウレタン樹脂の合成第1段階で得られたポリエステル樹脂381gを酢酸ブチル282gに溶解し、80℃まで加熱した。この温度で、トリレンジイソシアネート(TDI)17.4gを2時間かけて滴下した後、IR分析でイソシアネートの吸収が消失するまで反応を継続させた。これによって樹脂中にウレタン結合を導入し、ウレタン樹脂とした。このウレタン樹脂の数平均分子量は1600であった。なお、酸価は39(mgKOH/g)のままであった。
【0044】第3段階:グリシジルメタクリレート(GMA)の付加(第1のメタクリレート基の導入)
第2段階で得られたウレタン樹脂をその溶液のまま135℃まで加熱し、反応触媒としてのテトラブチルアンモニウムブロマイド1.9g、重合禁止剤としてのハイドロキノン0.4gを添加した後、グリシジルメタクリレート28.5gを30分かけて滴下した。その後、酸価が10(mgKOH/g)になるまで2.5時間この温度を保持した。この反応によって、ウレタン樹脂のカルボキシル基にグリシジルメタクリレートのエポキシ基を付加させ、ウレタン樹脂にメタクリレート基を導入した。得られたウレタン樹脂の数平均分子量は1700であった。
【0045】第4段階:第2のメタクリレート基の導入予め、2−ヒドロキシエチルメタクリレートとイソホロンジイソシアネート(IPDI)とをモル比1:1で反応させアダクト化合物を合成しておき、このアダクト化合物の80重量%酢酸ブチル溶液78gを、第3段階で得られた樹脂溶液に対して85℃の温度で2時間かけて滴下した。IR分析でイソシアネートの吸収が消失するまで、反応を継続した。これにより、樹脂に2つ目のメタクリレート基を導入した。得られた樹脂の酸価は10(mgKOH/g)であり、数平均分子量は1850であった。
【0046】(合成例2及び3)表1に示す配合で、第1段階、第2段階、第3段階、及び第4段階の反応を行う以外は、上記合成例1と同様にして、本発明に従うウレタン樹脂を合成した。具体的には、まず末端にカルボン酸基(カルボキシル基)を有するポリエステル樹脂を合成し、これにウレタン結合を導入してウレタン樹脂とし、これに第1のメタクリレート基及び第2のメタクリレート基を導入した。各段階で得られた樹脂の酸価及び数平均分子量は表1に示す通りである。
【0047】
【表1】


【0048】(合成例4)
第1段階:ウレタン樹脂の合成1,6−ヘキサンジオール163g、ネオペンチルグリコール408g、トリメチロールプロパン72g、ジブチルスズオキサイド0.8gを、2リットルの反応容器に仕込み、窒素雰囲気下で125℃まで加熱した。反応容器としては、攪拌機及び水冷コンデンサーを取り付けたデカンテーター、窒素導入管及び温度調節機に連結した温度計が取り付けられたものを用いた。
【0049】内容物が溶融し均一な状態になったのを確認して、トリレンジイソシアネート(TDI)17.4gを3時間かけて滴下し、1時間エージングすることにより、多価アルコールにウレタン結合を導入してウレタン樹脂を合成した。
【0050】第2段階:ポリエステル変性次に、温度を100℃以下まで冷却し、ジメチルテレフタレート1024gを添加することにより、ウレタン樹脂をポリエステル変性した。得られたポリエステル変性ウレタン樹脂は、酸価35(mgKOH/g)、数平均分子量1800であった。
【0051】第3段階:グリシジルメタクリレート(GMA)の付加(第1のメタクリレート基の導入)
合成例1の第3段階と同様にして、ウレタン樹脂のカルボキシル基(カルボン酸基)にグリシジルメタクリレートのエポキシ基を付加させ、メタクリレート基を導入した。得られた樹脂の数平均分子量は1850であり、酸価は5.0(mgKOH/g)であった。
【0052】第4段階:第2のメタクリレート基の導入合成例1の第4段階と同様にして、第3段階の反応で生成した水酸基に、イソホロンジイソシアネートとヒドロキシエチルメタクリレートのモル比1:1のアダクト化合物を付加させた。得られた樹脂の数平均分子量は2000であり、酸価は5.0(mgKOH/g)であった。
【0053】(合成例5及び6)表2に示す配合で、合成例4と同様にして、第1段階、第2段階、第3段階、及び第4段階の反応を行い、メタクリレート基を導入したウレタン樹脂を合成した。
【0054】
【表2】


【0055】(合成例7)合成例1の第1段階と同様にして、末端にカルボン酸基を有するポリエステル樹脂を合成した。このポリエステル樹脂に対して、合成例1の第3段階及び第4段階と同様にして、メタクリレート基を導入した。従って、ポリエステル樹脂に対しメタクリレート基を導入した樹脂が得られた。得られた樹脂の酸価は11(mgKOH/g)であり、数平均分子量は1700であった。
【0056】(実施例1〜7及び比較例1〜3)合成例1〜7で得られた樹脂を、スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥した後、表3及び表4に示す配合で予備混合し、さらにこの混合物を混合機(ブス社製「ブスコニーダー」)を用いて、120℃で混練した。混練後、アトマイザーで微粉砕し、その後200メッシュのふるいにかけて、粉体塗料を得た。得られた粉体塗料の粒子径は、表3及び表4に示すとおりである。なお、表3及び表4に示す粉体塗料の粒子径は、レーザー光散乱法による体積平均粒子径である。
【0057】なお、比較例3で用いた樹脂は、合成例1の第3段階で終了した樹脂である。また、開始剤のイルガキュアーは、チバスペシャリティーケミカル社製の開始剤である。
【0058】上記のようにして得られた粉体塗料を用い、SPC鋼板上に静電塗装で塗装し塗膜を形成した。予め120℃にSPC鋼板を予備加熱し、この上に粉体塗料を静電塗装し、さらに120℃を20分間保持して粉体塗料を加熱溶融させた後、4500mjの紫外線を照射して、硬化させた。塗膜の膜厚は、表3及び表4に示すとおりである。
【0059】得られた塗膜について、硬化性評価試験、密着性評価試験、耐酸性試験、及び耐アルカリ性試験を以下の方法で行った。
・硬化性:アセトンをしみ込ませた布で塗膜表面を20回ラビングし、塗膜に変化が生じない場合を○、傷がついたり溶解した場合を×として評価した。
【0060】・密着性:塗膜に1mm角の碁盤目の切り込みを入れ、その上に粘着テープを貼り付けた後剥離することにより、密着性を評価した。100%密着していたものを○、80〜50%密着していたものを△、それ以下のものを×として評価した。
【0061】・耐酸性試験:1mm角の碁盤目の切り込みを付けた塗膜を、10%硫酸水溶液中に1時間浸漬し、浸漬する前と比較して塗膜状態に変化がない場合を○、剥離や膨れ等の異常が発生した場合を×として評価した。
【0062】・耐アルカリ性試験:1mm角の碁盤目の切り込みを付けた塗膜を、5%水酸化ナトリウム水溶液中に1時間浸漬し、浸漬前と比較して塗膜状態に変化がない場合を○、剥離や膨れ等の異常が発生した場合を×として評価した。
【0063】
【表3】


【0064】
【表4】


【0065】表3及び表4に示す塗膜性能の試験結果から明らかなように、本発明に従う紫外線硬化型粉体塗料組成物を用いた実施例1〜7の塗膜は、硬化性に優れており、また密着性、耐酸性及び耐アルカリ性に優れていることがわかる。また、実施例1と比較例3から明らかなように、合成例1において第3段階で終了させたウレタン樹脂を用いた比較例3は、良好な塗膜性能が得られていないが、第4段階でさらにメタクリレート基を導入した本発明のウレタン樹脂を用いた実施例1では、良好な塗膜性能が得られている。また、実施例1及び2と比較例1及び2との比較から明らかなように、ウレタン結合を導入しウレタン樹脂とした実施例1及び2においては、被塗物に対し良好な密着性を示す塗膜が得られている。
【0066】
【発明の効果】本発明によれば、紫外線硬化性に優れ、密着性、耐水性、耐薬品性等に優れた塗膜を形成することができる紫外線硬化型粉体塗料組成物とすることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】 ウレタン樹脂中のカルボキシル基に、グリシジル基含有(メタ)アクリレートのエポキシ基を反応させ、この反応によって生成する水酸基に、さらにイソシアネート基含有(メタ)アクリレートのイソシアネート基を反応させて得られるウレタン樹脂をバインダー成分として含有することを特徴とする紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【請求項2】 前記イソシアネート基含有(メタ)アクリレートが、ジイソシアネート化合物の一方のイソシアネート基に、水酸基含有(メタ)アクリレートの水酸基を反応させて得られるアダクト化合物であることを特徴とする請求項1に記載の紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【請求項3】 前記ジイソシアネート化合物が、ジフェニルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、p−フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、及び水添キシリレンジイソシアネートから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項2に記載の紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【請求項4】 前記イソシアネート基含有(メタ)アクリレートが、(メタ)アクリロイルオキシアルキルイソシアネートまたは(メタ)アクリロイルイソシアネートであることを特徴とする請求項1に記載の紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【請求項5】 前記グリシジル基含有(メタ)アクリレートが、グリシジル(メタ)アクリレートであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【請求項6】 末端に以下に示す式(1)の構造の光重合性官能基を有するウレタン樹脂をバインダー成分として含有することを特徴とする紫外線硬化型粉体塗料組成物。
【化1】


(式中、R1 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、R2 は以下の式(2)または(3)で示される光重合性官能基であり、nは1〜4の整数である。)
【化2】


(ここで、R3 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、R4 は炭素数1〜4のアルキル基である。)
【化3】


(ここで、R5 は脂肪族あるいは芳香族炭化水素基であり、R6 は水素または炭素数1〜3のアルキル基であり、mは1〜4の整数である。)
【請求項7】 前記ウレタン樹脂の数平均分子量が、1000〜10000であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の紫外線硬化型粉体塗料組成物。

【公開番号】特開2002−206070(P2002−206070A)
【公開日】平成14年7月26日(2002.7.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2001−3046(P2001−3046)
【出願日】平成13年1月10日(2001.1.10)
【出願人】(000230054)日本ペイント株式会社 (626)
【Fターム(参考)】