説明

脂肪族イソシアネート由来の単位を有するポリウレタンを含むポリエステル−ポリウレタンハイブリッド樹脂の成形用組成物

【課題】A部分とB部分とから成るハイブリッド樹脂。
【解決手段】A部分:脂肪族多官能性イソシアネート化合物と、フリーラジカル重合開始剤とを含む組成物、B部分:水をほとんど含まないエチレン性不飽和ポリエステルポリオールと、ポリウレタン触媒とを含む組成物。A部分の組成物は非妨害性の溶媒、例えばスチレンを含むことができ、B部分の組成物は一般に酸価が5以下である(固体ベース)屋外用ではB部分の組成物は第三水素、エーテルグリコールおよびテレフタル酸残基を含まないのが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はハイブリッド樹脂に関するものである。
本発明は一つの観点からはポリウレタン樹脂とポリエステル樹脂とを組み合せたハイブリッド樹脂に関するものであり、別の観点からは脂肪族イソシアネートに由来の単位を含むポリウレタンから成るハイブリッド樹脂に関するものである。
本発明はさらに、上記ハイブリッド樹脂で作られた被覆材料に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ポリエステル−ポリウレタンハイブリッド樹脂は熱硬化成形組成物の分野で公知である(例えば、下記特許文献1)。
【特許文献1】米国特許第5,153,261号明細書
【0003】
この樹脂は一般にポリエステルよりも丈夫で、強く、ポリウレタンよりも堅く、安価である。この樹脂の典型的な例はヒドロキシ末端を有する不飽和ポリエステルポリオールと、不飽和エチレン性モノマー(例えばスチレン)と、ポリイソシアネートとから成る樹脂である。この樹脂はポリウレタンおよび不飽和ポリエステルの分野で現在用いられる一般的な多くの熱硬化樹脂の成形技術に適合させるのが容易である。本出願人(クック コンポジッツ アンド ポリマーズ カンパニー)から入手可能なキシコン(Xycon、登録商標)ハイブリッド樹脂はこの樹脂の代表である。
【0004】
ハイブリッド樹脂はA部分とB部分とから成る2成分系または2部分系である。A部分はポリイソシアネートとポリエステル触媒とを含み、B部分はヒドロキシ末端を有する不飽和ポリエステルポリオール/不飽和モノマー溶液含み、任意成分としてのポリウレタン触媒および/または充填材をさらに含む。A部分とB部分とを適切な条件下で混合すると、分子鎖の相互貫入網(interpenetrating network)が形成される。得られた混合物のポリエステル成分は連鎖延長機能を有し、ポリイソシアネート成分は架橋機能を有する。従って、得られた成形部品または被覆材はいずれかの成分を単独で使用するよりも向上した強靱性と熱的特性とを示す。
【0005】
製品に滑らかで耐久性のある外観を与えるゲルコートは一般に複合成形品の外側または外部表面層として用いられる。不飽和ポリエステル樹脂は安価で、加工がし易く、室温で硬化するため船舶用および人工大理石のゲルコートとして広く用いられている。さらに、これらの樹脂は強くて可撓性のある耐摩耗性および耐衝撃性に優れた表面を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、応力を受けるある種の用途、例えば風車の羽根ではこの被覆材料の特性を改良する必要がある。すなわち、これらの用途では優れた耐湿性と、強靱性(例えば耐亀裂性)と、環境力に起因する劣化から下層の積層体を保護する特性を被覆材料が有する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施例では、本発明は下記AとBから成るハイブリッド樹脂組成物である:
A.脂肪族多官能性イソシアネート化合物と、フリーラジカル重合開始剤とを含むA部分の組成物、
B.水をほとんど含まないエチレン性不飽和ポリエステルポリオールと、ポリウレタン触媒とを含むB部分の組成物。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
ハイブリッド樹脂組成物は約10〜50重量%のA部分と、約50〜90重量%のB部分とから成る。NCO基のOH基に対するモル比は0.3〜2.0、好ましくは0.5〜1.5である。A部分中の脂肪族多官能性イソシアネートはNCO含有率が5〜50%、好ましくは10〜35%である。A部分の組成物は非妨害性の溶媒、例えばスチレンを含むことができ、B部分の組成物は一般に酸価が10以下、好ましくは5以下であり(固体ベース)、固体上のヒドロキシル価は約120〜170、好ましくは130〜160である。屋外使用ではB部分の組成物は第三炭素(ternary carbon)上の水素、エーテルグリコールおよびテレフタル酸残基を含まないのが好ましい。
【0009】
本発明の別の実施例では、本発明はハイブリッド樹脂で作られたゲルコートであり、さらに別の本発明実施例では、本発明はハイブリッド樹脂で作られたゲルコートを含む物品である。
ハイブリッド樹脂のA部分の組成物中に用いられる不飽和エチレンモノマーは、ビニル付加重合によって不飽和ポリエステルポリオールを架橋することができる任意の不飽和エチレンモノマーにすることができる。有用な不飽和エチレンモノマーの例としてはスチレン、o−、m−、p−メチルスチレン、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、t−ブチルスチレン、ジビニルベンゼン、ジアリルフタレート、トリアリルシアヌレートおよび不飽和モノマーの2種以上の混合物が挙げられる。好ましいモノマーは経済的なモノマー溶液となるスチレンである。
【0010】
不飽和ポリエステルポリオールは少なくとも一種のジカルボン酸アルケン部分を有し、一種または複数の飽和ジ−またはポリカルボン酸または無水物および不飽和ジ−またはポリカルボン酸または無水物と、グリコールまたは多価アルコールとの縮合反応で得られるα,β−不飽和エチレンジカルボン酸化合物のオリゴマーであるのが好ましい。不飽和ポリエステルポリオールはまたは一種または複数のジ−またはポリカルボン酸または無水物と一種または複数のグリコールおよび/または多価アルコールとから製造できる。本発明で用いるポリオールは酸度または酸性数が5以下、好ましくは約2以下である。さらに、本発明で用いるポリオールの当量は約250〜約1000、好ましくは約250〜約500であるのが好ましい。適した飽和ジ−またはポリカルボン酸の例としてはイソフタル酸、オルトフタル酸、テレフタル酸、アジピン酸、コハク酸、セバシン酸およびこれらの化合物の2種以上の混合物が挙げられ、イソフタル酸が好ましい。
【0011】
典型的な不飽和カルボン酸または無水物の例としてはマレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、クロロマレイン酸、アリルコハク酸、イタコン酸、メサコン酸、その無水物およびこれら化合物の2種以上の混合物が挙げられ、無水マレイン酸を選択するのが好ましい。本発明で用いられる多価アルコールの例としてはネオペンチルグリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ポリエチレングリコール、グリセロール、マンニトール、1,2−プロパンジオール、ペンタエリトリトール、1,6−ヘキサンジオール、1,3−ブチレングリコールおよびこれらの化合物の2種以上の混合物が挙げられる。屋外での使用ではB部分の組成物は第三水素、エーテルグリコールおよびテレフタル酸残基を含まないのが好ましい。
【0012】
B部分は水をほとんど含まないのがよい。「水をほとんど含まない」とはB部分の含水率が許容不可能なレベルの発泡を避けるのに十分なだけ低いことを意味する。B部分はその全重量に対して約2000ppm以下の水、好ましくは約1000ppm以下の水しか含まないのが好ましい。
【0013】
一般に、脂肪族ポリイソシアネートとよばれる脂肪族イソシアネート化合物は少なくとも2つの官能基を有し且つポリエステルポリオールと反応可能でなければならない。適したイソシアネート化合物の例としては2,2,4−トリメチルヘキサ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、イソホロンジイソシアネートおよびこれらのビウレットおよび環式トリマー形が挙げられる。脂肪族イソシアネート化合物はヘキサメチレンジイソシアネートであるのが好ましく、ヘキサメチレンジイソシアネートのダイマーまたはトリマーであるのがさらに好ましい。
【0014】
本発明の一実施例では、脂肪族イソシアネート化合物をポリオール(例えばグリコール)で変性して取扱い易いポリマーの形態にすることができる。一般に、イソシアネート含有率は、イソシアネート官能基の原子量と脂肪族イソシアネート化合物の全分子量とを組み合わせたものをベースにして、約5〜約50%、好ましくは約10〜約35%である。
【0015】
本発明のハイブリッド樹脂組成物の製造に有用なフリーラジカル重合触媒はビニル重合用触媒、例えば過酸化物、過硫化物、過ホウ酸塩、過炭酸塩およびアゾ化合物か、ポリエステルポリオールおよび/または不飽和エチレンモノマーのビニル重合を触媒できるその他任意の触媒である。そうした触媒の例としては過酸化ベンゾイル(BPO)、第三ブチルペルオキシベンゾエート(TBPB)、2,2’−アゾ−ビス−イソブチロニトリル、過酸化ジベンゾイル、過酸化ラウリル、過酸化ジ−t−ブチル、炭酸過酸化ジイソプロピルおよびt−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノエートが挙げられる。このビニル重合過酸化物触媒に促進剤を組み合わせて用いてフリーラジカル開始速度を制御することもできる。一般的な過酸化ベンゾイル促進剤はN,N−ジエチルアニリンである。
【0016】
本発明のハイブリッド樹脂の製造でポリウレタン形成を触媒するのに有用な触媒としては下記が挙げられる:
(a)N,N−ジメチルシクロヘキシルアミンのような第三アミン、
(b)トリアルキルホスフィンのような第三ホスフィン、
(c)アルカリおよびアルカリ土類金属水酸化物、アルコキシドおよびフェノキシドのような強塩基、
(d)塩化鉄のような強酸の酸性金属塩、
(e)ジブチル錫ジラウレート、カルボキシル酸ビスマスおよびジルコニウムキレート2,4−ペンタンジオンのような有機金属化合物。
ポリウレタン製造でよく用いられるその他の触媒は下記文献に記載されている。
【特許文献2】米国特許第4,280,979号明細書
【0017】
本発明のハイブリッド樹脂は不飽和ポリエステルおよびポリウレタン産業で良く用いられる液体反応成形法または圧縮成形法をベースにした方法で製造できる。液体成形法ではハイブリッド樹脂をモールド中に(密閉成形)またはモールド上に(開放成形)直接射出または注入する。液体を射出する密閉成形法ではモノマー溶液(ポリオール)中のポリイソシアネートとヒドロキシ末端を有するポリエステルとを別々に供給し、混合ヘッドのチャンバ中でこれら2つの成分を混合される。混合によってハイブリッド反応が即時に開始する。この反応速度は用いる触媒に依存する。このハイブリッド液体流を金型中に射出すると、ハイブリッド樹脂の各成分が反応する。十分な硬化時間(一般に1〜120分、好ましくは2〜60分)後に金型から部品を取り出す。部品は成形品として用いるか、さらにオーブンで後アニールすることができる。液体を密閉する一般的な成形技術としては樹脂トランスファー成形(RTM)、反応射出成形(RIM)および構造反応射出成形(S−RIM)が挙げられる。
【0018】
本発明の別の目的は、本発明定義の少なくとも一種のハイブリッド樹脂を含む硬化性樹脂組成物を得ることにある。この硬化性樹脂組成物は硬化することによってゲルコート(またはバリヤコート)のような被覆材料や複合成形品を製造することができる。従って、本発明樹脂はSMC、BMC、DMCをベースにした複合成形品やゲルコート(またはバリヤコート)のような被覆剤材料で用いることもできる。
【0019】
上記被覆材料は複合成形品上に塗布できる。この複合成形品は本発明の樹脂や、UPRや、ビニルエステル、その他任意の熱硬化性樹脂から成る他の樹脂で作ることができる。
液体を射出する開放成形法も上記と同じ手順を行なうが、この場合にはハイブリッド樹脂をモールド上に噴霧する。従って、成形部品の片側は周囲雰囲気に曝されている。この成形方法は一般に「吹付け成形」とよばれる。液体を直接注入する成形ではポリオールとポリイソシアネートとを手練りした後、ハイブリッド液体をモールド中または上に注入し、ここで硬化させる。射出と注入の違いは混合時間、混合強度および射出圧力にある。いずれの液体成形法でもポリオールおよび/またはポリイソシアネートは繊維材料、充填材および/またはその他の添加剤を含むことができるが、ゲルコート用途では樹脂は一般的に繊維材料および充填材を全く含まない。
【0020】
圧縮成形に合わせてハイブリッド樹脂をさらに修正することができる。一般的な圧縮成形法ではシート状コンパウンド、塊状コンパウンド、プレミックス成形コンパウンド(それぞれSMC、BMCおよびDMC)を使用する。どの成形技術を使用しても、本発明のハイブリッド樹脂は熱的特性をほとんど犠牲にせずに、収縮抑制、表面外観および衝撃強度が向上するという利点を有する。
【0021】
本発明のゲルコートはペンキの被膜に比べて厚いが、それでも一般に1ミリメートルの半分以下の厚さである。この厚さの液体層を水平ではないモールド表面上の定位置に留めるためには樹脂はチキソトロピックでなければならない。換言すれば、噴霧、刷毛塗り、ロール塗り等の手段を用いた塗布中は粘度が相対的に低く、塗布操作を止めると重力に抵抗するのに十分な粘性になるのが好ましい。チキソトロープ剤は(ヒュームド)シリカ、脂肪酸アミド、クレーの中から選択でき、B部分の重量に対して0.2〜5%の重量含有率にすることができる。
【0022】
ハイブリッド樹脂を用いる一般的な成形プロセスではモールドキャビティを規定する一般に2つ以上の形状要素を用いる。複雑な形状の単一キャビティを設けることもできる。本発明のハイブリッド樹脂はモールド表面全体の少なくとも一部に塗布される。モールド接触表面はガラス、強化ポリエステル、エポキシド、鋼、アルミニウムまたはその他の金属のような一般的な任意の材料で形成することができる。
【0023】
本発明の一実施例では、ハイブリッド樹脂のA部分または成分は非妨害性溶媒(例えばスチレン)中のイソシアネートまたはイソシアネート溶液から成る。2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネートのような脂肪族イソシアネートは芳香族ジイソシアネートに関連する黄変またはその他の変色に対して耐久性を有し、屋外用途に特に適している。
B部分または成分は不飽和ポリエステル樹脂、湿潤剤、均染助剤、促進包装材料、充填材、ポリウレタン触媒、粘度調整剤および顔料を含む。
一つの典型的な配合は下記から成る(重量部):
成分表示 重量部
不飽和ポリエステルポリオール 873.43
黒色顔料分散剤 1.12
鉄黄顔料分散剤 1.80
白色顔料分散剤 92.83
脱泡剤 2.5
クレー(第四アンモニウム処理) 12.48
タルク 12.48
オクタン酸コバルト溶液 0.87
ジブチル錫ジラウレート 1.25
シリコン溶液200cSt-フィッシュアイ除去剤 1.25
【0024】
上記配合から明らかなように、本発明のハイブリッド樹脂は一種または複数の添加剤、例えば充填材、顔料、加工助剤、硬化剤、酸化防止剤、紫外線抑制剤、触媒促進剤等を含むことができる。これらの添加剤はA部分およびB部分のいずれか一方または両方に含ませることができるが、B部分中に含ませるのがより一般的である。
以下、本発明の実施例をさらに説明する。以下の実施例の全ての粘度は、粘度計を設定速度で約2分間運転させた後に測定した。
【実施例】
【0025】
実施例1(比較例)
不飽和ポリエステル樹脂の製造
攪拌器、凝縮器、温度計および窒素ガス導入管を備えた4リットル容のフラスコ中に、740gのジエチレングリコール、456gのプロピレングリコール、1060gのイソフタル酸を導入した。得られた混合物を酸価が10mg KOH/gに下がるまで210℃で約10時間加熱した。温度を150℃に下げた後、624gの無水マレイン酸を混合物に添加した。酸価が30〜50mg KOH/gになるまで反応を210℃でさらに6時間続けた。生成物を1460gの抑制スチレンとブレンドして4000グラムの清澄な樹脂溶液(樹脂A)を形成した。樹脂溶液の粘度は63%の固形分で約1000mPa.s(cP)である。樹脂粘度はRVT2番のスピンドルを備えたブルックフィールド粘度計によって25℃、20回転/分で測定する。
【0026】
実施例2(比較例)
一般的なゲルコートの製造
次いで、下記成分をブレンドしてゲルコート組成物を製造した:
【表1】

【0027】
得られたゲルコートのブルックフィールド粘度は19000mPa.s(cP)(4回転/分、77℃)、チキソトロピー指数は6.0〜7.0(RVF4番スピンドル、2/20回転/分)である。1.8%の過酸化メチルエチルケトン(MEKP)を用いてゲルコートを硬化する。ゲル時間は約15分で、硬化時間は約60分である。紫外線に60℃で8時間曝した後に、50℃で4時間凝縮するQUV−A ASTM G154によって測定した硬化ゲルコートの耐候特性を以下に示す:
【表2】

【0028】
実施例3
OH末端を有する不飽和ポリエステル樹脂の製造
攪拌器、凝縮器、温度計および窒素ガス導入管を備えた4リットル容のフラスコ中に、1380gのネオペンチルグリコール、202gのプロピレングリコール、994gのイソフタル酸を導入した。得られた混合物を酸価が10mg KOH/gに下がるまで210℃で約10時間加熱した。温度を150℃に下げた後、587gの無水マレイン酸を混合物に添加した。酸価が5mg KOH/g、OH価が130〜150mg KOH/gになるまで反応を210℃で続けた。生成物を1160gの抑制スチレンとブレンドして4000グラムの清澄な樹脂溶液(樹脂B)を形成した。樹脂溶液の粘度は71%の固形分で700mPa.s(cP)である。
【0029】
実施例4
ポリエステル−ポリウレタンハイブリッドゲルコートの製造
次いで、下記成分をブレンドしてB成分を形成して、二成分ゲルコート組成物を製造する:
【表3】

【0030】
得られたゲルコートのブルックフィールド粘度は15000mPa.s(cP)(4回転/分、77℃)、チキソトロピー指数は5.0〜6.0である。A成分は脂肪族ジイソシアネートと、過酸化メチルエチルケトン(MEKP)とから成る。A部分とB部分とを20/80の比で混合してポリエステル−ポリウレタンハイブリッドゲルコートを硬化する。ゲル時間は約15分で、硬化時間は約60分である。QUV−Aによって測定したゲルコートの耐候特性を以下に示す:
【表4】

【0031】
実施例5
100時間、沸騰水中での積層体の比較
実施例2と実施例4で得られたゲルコートサンプルを用いてゲルコート積層体を製造した。積層体は2つの異なる厚さのゲルコートを有する。ゲルコートの厚い断面(TK)は硬化ゲルコート厚さが約0.762mm(30ミル)で、ゲルコートの薄い断面(TN)は硬化ゲルコート厚さが約0.381mm(15ミル)である。このパネルを沸騰した脱イオン水中に100時間浸漬し、5つの分野で性能を0〜5段階で評価した。0の評価は変化なしを表し、5の評価は極端な変化を表す。この結果から、ポリエステル−ポリウレタンハイブリッドゲルコートは一般的なゲルコートに比べてはるかによい耐水性を有することがわかった。
【表5】

【0032】
実施例6
各種温度での注型機械特性の比較
ゲルコートサンプルを注型品にし、注型品の引張特性をASTM規格D−638に従って測定した。引張特性は周囲温度、−10℃および−30℃で測定した。この結果から、ポリエステル−ポリウレタンハイブリッドゲルコートは一般的なゲルコートに比べて低温での引張伸び率の残率がはるかによいことがわかった。
【0033】
【表6】

【0034】
実施例7
裏面衝撃強度の比較
ゲルコート積層体の裏面衝撃強度を下記のASTM規格D−3029に従って測定した。各サンプルごとに全部で9回の試験を行い、平均値を報告した。この結果から、ポリエステル−ポリウレタンハイブリッドゲルコートは一般的なゲルコートに比べてはるかによい裏面衝撃強度を有することがわかった。
【表7】

【0035】
以上、本発明を詳細に説明したが、この説明は単なる例示で、請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲を限定するものではない。引用した全ての米国特許および特許出願は参考として本明細書の一部を成す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記AとBから成るハイブリッド樹脂:
A 脂肪族の多官能性イソシアネート化合物と、フリーラジカル重合開始剤とを含むA部分の組成物、
B.水をほとんど含まないエチレン性不飽和ポリエステルポリオールと、ポリウレタン触媒とを含むB部分の組成物。
【請求項2】
上記イソシアネート化合物が2,2,4−トリメチルヘキサ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、イソホロンジイソシアネートおよびこれらのビウレットおよび環式トリマー誘導体の少なくとも一つである請求項1に記載の樹脂。
【請求項3】
上記イソシアネート化合物がヘキサメチレンジイソシアネートおよび/またはその誘導体である請求項1または2に記載の樹脂。
【請求項4】
上記イソシアネートがヘキサメチレンジイソシアネートの環式トリマー誘導体である請求項3に記載の樹脂。
【請求項5】
上記ポリエステルポリオールが少なくとも一種のジカルボン酸アルケン単位を含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項6】
上記ポリエステルポリオールが、一種または複数の飽和ジ−またはポリカルボン酸または無水物および不飽和ジ−またはポリカルボン酸または無水物と、グリコールまたは多価アルコールとの縮合反応で得られる、α,β−不飽和エチレンジカルボン酸化合物のオリゴマーから成る請求項1〜5のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項7】
上記フリーラジカル重合開始剤が過酸化物、過硫化物、過ホウ酸塩、過炭酸塩およびアゾ化合物の少なくとも一つである請求項1〜6のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項8】
上記ポリウレタン触媒が第三アミン、第三ホスフィン、強塩基、酸性金属塩および有機金属化合物の少なくとも一つである請求項1〜7のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項9】
B部分の組成物がその全重量に対して約2000ppm以下の水を含む請求項1〜8のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項10】
B部分組成物がその全重量に対して約1000ppm以下の水を含む請求項9に記載の樹脂。
【請求項11】
B部分の組成物が第三水素、エーテルグリコールおよびテレフタル酸残基を含まないの請求項1〜10のいずれか一項に記載の樹脂。
【請求項12】
液体反応成形法または圧縮成形法をベースにした成形方法であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載のハイブリッド樹脂の製造方法。
【請求項13】
RIM、RTMまたはS−RIMの中から選択される液体反応成形法をベースにした成形方法である請求項12に記載の方法。
【請求項14】
SMC、BMCまたはDMCの中から選択される圧縮成形法をベースにした成形方法である請求項12または13に記載の方法。
【請求項15】
請求項1〜11のいずれか一項に記載のハイブリッド樹脂を少なくとも一種含む硬化性樹脂組成物。
【請求項16】
請求項15に記載の硬化性樹脂組成物を硬化して得られる複合成形品。
【請求項17】
請求項15に記載の硬化性樹脂組成物を硬化して得られるゲルコート。
【請求項18】
請求項1〜11のいずれか一項に記載のハイブリッド樹脂または不飽和ポリエステル樹脂(UPR)またはビニルエステルまたはその他任意の熱硬化性樹脂で作られた複合成形品の基材上に塗布された請求項17に記載のゲルコート。
【請求項19】
請求項17または18に記載のゲルコートを有する物品。

【公表番号】特表2009−506146(P2009−506146A)
【公表日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−527369(P2008−527369)
【出願日】平成18年8月21日(2006.8.21)
【国際出願番号】PCT/EP2006/008199
【国際公開番号】WO2007/022932
【国際公開日】平成19年3月1日(2007.3.1)
【出願人】(593013306)クック・コンポジッツ・アンド・ポリマーズ・カンパニー (1)
【氏名又は名称原語表記】COOK COMPOSITES AND POLYMERS COMPANY
【Fターム(参考)】