(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-28
(45)【発行日】2024-06-05
(54)【発明の名称】ポリウレタン水系分散体、及び水性塗料
(51)【国際特許分類】
C08L 75/06 20060101AFI20240529BHJP
C08G 18/00 20060101ALI20240529BHJP
C08G 18/42 20060101ALI20240529BHJP
C08G 18/66 20060101ALI20240529BHJP
C08L 33/00 20060101ALI20240529BHJP
C09D 175/06 20060101ALI20240529BHJP
【FI】
C08L75/06
C08G18/00 C
C08G18/42 008
C08G18/66 059
C08L33/00
C09D175/06
(21)【出願番号】P 2024042237
(22)【出願日】2024-03-18
【審査請求日】2024-03-26
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000003506
【氏名又は名称】第一工業製薬株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003395
【氏名又は名称】弁理士法人蔦田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】金子 文弥
【審査官】小森 勇
(56)【参考文献】
【文献】特開2013-075995(JP,A)
【文献】特開2021-161153(JP,A)
【文献】国際公開第2015/093299(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C08L 75/00-75/16
C08L 33/00-33/26
C08G 18/00-18/87
C09D 175/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
芳香族ポリエステルポリオールを構成成分として含むポリウレタン樹脂(A)が水系分散媒に分散してなるポリウレタン水系分散体であって、
前記ポリウレタン水系分散体はオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を含み、
前記ポリウレタン樹脂(A)はカルボキシ基を有し、前記ポリウレタン樹脂(A)の酸価が5~25mgKOH/gであり、
前記ポリウレタン樹脂(A)のカルボキシ基100モルに対して前記オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)のオキサゾリン基が120~300モル含まれる、
ポリウレタン水系分散体。
【請求項2】
前記ポリウレタン樹脂(A)は構成成分として更にポリアルキレングリコールを含む、請求項1に記載のポリウレタン水系分散体。
【請求項3】
前記ポリアルキレングリコールの量が前記ポリウレタン樹脂(A)100質量部に対して5~15質量部である、請求項2に記載のポリウレタン水系分散体。
【請求項4】
前記ポリウレタン樹脂(A)が構成成分として更に芳香環含有ポリイソシアネートを含む、請求項1に記載のポリウレタン水系分散体。
【請求項5】
前記オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)が、オキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマーを含む、請求項1に記載のポリウレタン水系分散体。
【請求項6】
請求項1~5のいずれか1項に記載のポリウレタン水系分散体を含む、水性塗料。
【請求項7】
プライマーとして用いられる請求項6に記載の水性塗料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、ポリウレタン水系分散体、及びそれを含む水性塗料に関する。
【背景技術】
【0002】
ポリウレタン樹脂を水系分散媒に分散させてなるポリウレタン水系分散体は、塗料、インク、接着剤等に幅広く使用されている。例えば、特許文献1には、(メタ)アクリル樹脂からなる光学フィルムに他の機能性フィルムを積層するための易接着層を形成するために、水分散性ポリウレタン樹脂とエポキシ化合物を含む易接着組成物を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ポリウレタン水系分散体を、例えばポリエステル樹脂などの樹脂表面に塗布する塗料として用いる場合、被塗物である樹脂に対して塗膜が良好な密着性を持つことが求められる。また、例えばプライマーとして用いる場合、塗膜には、樹脂基材に対する密着性とともに、プライマーを介して塗布される上塗り層に対する密着性も求められる。このように、ポリウレタン水系分散体においては、樹脂に対する塗膜の密着性が求められる。ポリウレタン水系分散体においてはまた、基材に塗布して塗膜を形成したときに、タックが少ないこと、すなわち耐ブロッキング性を有することが好ましい。ここで、耐ブロッキング性とは、塗膜を形成した基材を積み重ねたときに塗膜同士の表面が相互に密着しにくく剥がれやすい性能をいう。
【0005】
上記特許文献1には、カルボキシ基を有する水分散性ポリウレタン樹脂とオキサゾリン化合物とを含むポリウレタン水系分散体が開示されている。しかしながら、特許文献1においてオキサゾリン化合物を含むポリウレタン水系分散体は、初期密着性に劣る比較例として開示されており、樹脂に対する塗膜の密着性と耐ブロッキング性とを両立できるものではなかった。
【0006】
本発明の実施形態は、樹脂に対する塗膜の密着性及び耐ブロッキング性を向上することができるポリウレタン水系分散体、及びそれを用いた水性塗料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は以下に示される実施形態を含む。
[1] 芳香族ポリエステルポリオールを構成成分として含むポリウレタン樹脂(A)が水系分散媒に分散してなるポリウレタン水系分散体であって、
前記ポリウレタン水系分散体はオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を含み、
前記ポリウレタン樹脂(A)はカルボキシ基を有し、前記ポリウレタン樹脂(A)の酸価が5~25mgKOH/gであり、
前記ポリウレタン樹脂(A)のカルボキシ基100モルに対して前記オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)のオキサゾリン基が120~300モル含まれる、
ポリウレタン水系分散体。
【0008】
[2] 前記ポリウレタン樹脂(A)は構成成分として更にポリアルキレングリコールを含む、[1]に記載のポリウレタン水系分散体。
[3] 前記ポリアルキレングリコールの量が前記ポリウレタン樹脂(A)100質量部に対して5~15質量部である、[2]に記載のポリウレタン水系分散体。
[4] 前記ポリウレタン樹脂(A)が構成成分として更に芳香環含有ポリイソシアネートを含む、[1]~[3]のいずれか1項に記載のポリウレタン水系分散体。
[5] 前記オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)が、オキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマーを含む、[1]~[4]のいずれか1項に記載のポリウレタン水系分散体。
[6] [1]~[5]のいずれか1項に記載のポリウレタン水系分散体を含む、水性塗料。
[7] プライマーとして用いられる[6]に記載の水性塗料。
【発明の効果】
【0009】
本発明の実施形態によれば、樹脂に対する塗膜の密着性及び耐ブロッキング性を向上することができる。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本実施形態に係るポリウレタン水系分散体(以下、単に水系分散体ということがある。)は、ポリウレタン樹脂(A)、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)、及び、水系分散媒(C)を含む。
【0011】
[ポリウレタン樹脂(A)]
ポリウレタン樹脂(A)は、ポリオールとポリイソシアネートを反応させて得られるものであり、分子内にウレタン結合を有する重合体である。本実施形態では、ポリウレタン樹脂(A)として、芳香族ポリエステルポリオールを構成成分として含むものが用いられる。これにより、ポリエステル樹脂基材に対する密着性の向上効果を高めることができる。本明細書において、構成成分として含むとは、ポリウレタン樹脂(A)を合成する原料(モノマー)として用いることをいい、これに由来する構造をポリウレタン樹脂(A)に有する。
【0012】
芳香族ポリエステルポリオールは、分子内に芳香環を持つポリエステルポリオールである。ポリエステルポリオールは、多価カルボン酸と多価ヒドロキシ基含有化合物との縮合反応により得られるものであり、多価カルボン酸と多価ヒドロキシ基含有化合物とのいずれか少なくとも一方に芳香環が含まれていればよい。
【0013】
多価カルボン酸としては、ジカルボン酸が好ましく、例えば、フタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸、アジピン酸、コハク酸、セバシン酸、アゼライン酸、マレイン酸、フマル酸などの脂肪族ジカルボン酸が挙げられる。これらはいずれか1種用いてもよく、2種以上併用してもよい。
【0014】
多価ヒドロキシ基含有化合物としては、ジオールが好ましく、例えば、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、ブチレングリコール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオールなどの脂肪族ジオール、ビスフェノールA、ビスフェノールFなどのビスフェノール、及びそのアルキレンオキサイド付加物などの芳香族ジオールが挙げられる。これらはいずれか1種用いてもよく、2種以上併用してもよい。
【0015】
芳香族ポリエステルポリオールの分子量は特に限定されず、例えば、数平均分子量(Mn)が500~5000でもよく、800~4000でもよく、1000~3000でもよい。
【0016】
本明細書において、数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)は、GPC法(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法)により測定し、標準ポリスチレンによる検量線を用いて算出した値である。詳細には、GPCの条件として、カラム:東ソー(株)製「TSKgelG4000HXL+TSKgel G3000HXL+TSKgel G2000HXL+TSKgel G1000HXL+TSKgel G1000HXL」、移動相:THF(テトラヒドロフラン)、移動相流量:1.0mL/min、カラム温度:40℃、試料注入量:50μL、試料濃度:0.2質量%として測定することができる。
【0017】
ポリウレタン樹脂(A)を構成するポリオール中における芳香族ポリエステルポリオールの量は特に限定されないが、例えば、ポリオール100質量%に対して60~99質量%であることが好ましく、より好ましくは70~97質量%であり、より好ましくは75~95質量%であり、更に好ましくは80~90質量%である。
【0018】
本明細書において、ポリオールを構成する各成分の量について、その基準とするポリオール100質量%は、ポリオールが後述するカルボキシ基含有ポリオールを含む場合、当該カルボキシ基を酸型として計算される。カルボキシ基含有ポリオールの量についても同様に、カルボキシ基を酸型として計算される。
【0019】
本実施形態において、ポリウレタン樹脂(A)はカルボキシ基を有し、これにより、水系分散体の加熱乾燥時に、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)と反応して架橋構造を形成することができる。本明細書において、カルボキシ基は、特に断らない限り、酸型(-COOH)だけでなく、塩型、即ちカルボン酸塩基(-COOX、ここでXはカルボン酸と塩を形成する陽イオン)も含む概念であり、酸型と塩型が混在してもよい。
【0020】
カルボン酸塩基の塩としては、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン塩(一級アミン塩、二級アミン塩、三級アミン塩)、第四級アンモニウム塩等が挙げられる。これらの中でも、アンモニウム塩やアミン塩などの揮発性塩基の塩であることが好ましい。揮発性塩基であると、水系分散体の加熱乾燥時に蒸発することでカルボキシ基が酸型になりやすく、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)との反応性を向上して、樹脂に対する塗膜の密着性の向上効果を高めることができる。
【0021】
本実施形態においてポリウレタン樹脂(A)の酸価は5~25mgKOH/gである。酸価が5mgKOH/g以上であることにより、ポリウレタン樹脂(A)の水系分散媒への乳化を行いやすくなる。酸価が25mgKOH/g以下であることにより、樹脂に対する塗膜の密着性を向上することができる。ポリウレタン樹脂(A)の酸価は、より好ましくは7~20mgKOH/gであり、更に好ましくは10~15mgKOH/gである。
【0022】
本明細書において、酸価は、JIS K0070-1992に準拠して、ポリウレタン樹脂(A)1g中に含まれるカルボキシ基を中和するのに要するKOH量(mg)より求めることができる。
【0023】
ポリウレタン樹脂(A)にカルボキシ基を導入するため、ポリウレタン樹脂(A)を合成するために用いられるポリオールには、芳香族ポリエステルポリオールとともに、カルボキシ基含有ポリオールを用いることが好ましい。すなわち、ポリウレタン樹脂(A)は、カルボキシ基含有ポリオールを構成成分として含むことが好ましい。
【0024】
カルボキシ基含有ポリオールとしては、例えば、ジメチロールプロピオン酸、2,2-ジメチロール酪酸、2,2-ジメチロール吉草酸、ジヒドロキシマレイン酸、2,6-ジヒドロキシ安息香酸、酒石酸等のカルボン酸含有化合物及びこれらの誘導体並びにそれらの塩が挙げられる。これらはいずれか1種を用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0025】
ポリオール中におけるカルボキシ基含有ポリオールの量は、特に限定されず、例えば、ポリオール100質量%に対して0.5~15質量%でもよく、1~10質量%でもよく、2~7質量%でもよい。
【0026】
ポリウレタン樹脂(A)を合成するために用いられるポリオールとしては、更にポリアルキレングリコールを用いてもよい。すなわち、ポリウレタン樹脂(A)は、ポリアルキレングリコールを構成成分として更に含むことが好ましい。ポリアルキレングリコールを含むことにより、例えばポリウレタン水系分散体をプライマーとして用いる場合であって、上塗り層を構成する樹脂がポリアルキレングリコールを構成成分として含む場合に、当該上塗り層に対する密着性を向上することができる。
【0027】
ポリアルキレングリコールとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリトリメチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリブチレングリコール、及びこれらの構成モノマーの2種以上を用いた共重合体が挙げられる。ポリアルキレングリコールの分子量は特に限定されず、例えば、数平均分子量(Mn)が500~5000でもよく、800~4000でもよく、1000~3000でもよい。
【0028】
ポリウレタン樹脂(A)におけるポリアルキレングリコールの量(すなわち、ポリアルキレングリコール由来の構造の量)は、ポリウレタン樹脂(A)100質量部に対して5~15質量部であることが好ましく、より好ましくは7~13質量部であり、更に好ましくは8~10質量部である。ポリオール中におけるポリアルキレングリコールの量は、特に限定されず、例えば、ポリオール100質量%に対して3~25質量%でもよく、5~20質量%でもよく、10~15質量%でもよい。
【0029】
ポリウレタン樹脂(A)を合成するために用いられるポリオールとしては、官能基数が3以上のポリオールを用いてもよい。官能基数が3以上のポリオールとしては、例えば、トリメチロールプロパン、グリセリン、ペンタエリスリトール等の低分子の多価アルコール(好ましくは三価アルコール)が好ましく例示される。このような3官能以上のポリオールの量は特に限定されず、例えば、ポリオール100質量%に対して、0.1~5質量%でもよく、0.2~3質量%でもよく、0.3~1質量%でもよい。
【0030】
ポリウレタン樹脂(A)を合成するために用いられるポリオールには、上記以外のポリオールを用いてもよい。そのような他のポリオールとしては、例えば、脂肪族ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリアルキレングリコール以外のポリエーテルポリオール、ポリブタジエンポリオール等の重合体ポリオールが挙げられる。他のポリオールとしては、また、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、水素添加ビスフェノールAなどの低分子ジオールを用いてもよい。これらの他のポリオールはいずれか1種を用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0031】
ポリウレタン樹脂(A)を構成するポリオールの量(すなわち、ポリオール由来の構造の量)は特に限定されず、例えば、ポリウレタン樹脂(A)100質量部に対して70~90質量部でもよく、75~85質量部でもよい。
【0032】
ポリウレタン樹脂(A)を合成するために用いられるポリイソシアネートとしては、例えば、芳香族ポリイソシアネート、芳香脂肪族ポリイソシアネート、脂肪族ポリイソシアネート、脂環式ポリイソシアネートが挙げられる。
【0033】
芳香族ポリイソシアネートとしては、例えば、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリメリックMDI、トリレンジイソシアネート(TDI)、ナフタレンジイソシアネート、及び、これらのイソシアヌレート体、アダクト体、ビュレット体、アロフェネート体、カルボジイミド体などの変性体が挙げられる。
【0034】
芳香脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えば、キシリレンジイソシアネート(XDI)、ω,ω’-ジイソシアネート-1,4-ジエチルベンゼン、1,3-又は1,4-ビス(1-イソシアネート-1-メチルエチル)ベンゼン、及び、これらのイソシアヌレート体、アダクト体、ビュレット体、アロフェネート体、カルボジイミド体などの変性体が挙げられる。
【0035】
脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えば、テトラメチレンジイソシアネート、ドデカ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(HDI)、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、及び、これらのイソシアヌレート体、アダクト体、ビュレット体、アロフェネート体、カルボジイミド体などの変性体が挙げられる。
【0036】
脂環式ポリイソシアネートとしては、例えば、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ジシクロヘキシルメタン4,4’-ジイソシアネート(水添MDI)、水添キシリレンジイソシアネート、1,4-シクロヘキサンジイソシアネート、メチルシクロヘキシレンジイソシアネート、1,3-ビス(イソシアネートメチル)シクロヘキサン、及び、これらのイソシアヌレート体、アダクト体、ビュレット体、アロフェネート体、カルボジイミド体などの変性体が挙げられる。
【0037】
これらのポリイソシアネートは、いずれか1種用いてもよく2種以上を併用してもよい。
【0038】
ポリイソシアネートとしては、耐ブロッキング性の向上効果に優れることから、上記の中でも、芳香族ポリイソシアネートや芳香脂肪族ポリイソシアネートなどの芳香環含有ポリイソシアネートを用いることが好ましく、より好ましくは芳香脂肪族ポリイソシアネートを用いることである。ポリイソシアネート100質量%に対する芳香環含有ポリイソシアネートの量は特に限定されず、例えば50質量%以上でもよく、70質量%以上でもよく、90質量%以上でもよく、100質量%でもよい。
【0039】
ポリウレタン樹脂(A)を構成するポリイソシアネートの量(すなわち、ポリイソシアネート由来の構造の量)は特に限定されず、例えば、ポリウレタン樹脂(A)100質量部に対して10~30質量部でもよく、15~25質量部でもよい。
【0040】
一実施形態において、ポリウレタン樹脂(A)としては、下記(A1)及び(A2)が挙げられる。
(A1)芳香族ポリエステルポリオール及びカルボキシ基含有ポリオールを含むポリオールとポリイソシアネートとを反応させてイソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成し、該ウレタンプレポリマーを鎖伸長剤により鎖伸長してなるアニオン性ポリウレタン樹脂。
(A2)芳香族ポリエステルポリオール及びカルボキシ基含有ポリオールを含むポリオールとポリイソシアネートとを反応させて得られるヒドロキシ基含有アニオン性ポリウレタン樹脂。
【0041】
[オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)]
オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)は、分子内に複数のオキサゾリン基を含有するポリマーであり、ポリウレタン樹脂(A)が持つカルボキシ基と反応することで架橋構造(アミドエステル結合)を形成する。
【0042】
オキサゾリン基は、下記式で表される酸素原子と窒素原子を含む五員複素環基であり、カルボキシ基と反応してアミドエステル結合を形成可能なかぎり置換基を有してもよい。
【化1】
【0043】
オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)としては、ポリマー主鎖がアクリル系ポリマーである、オキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマーを用いることが好ましい。オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)100質量%におけるオキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマーの量は、70質量%以上であることが好ましく、より好ましくは80質量%以上であり、更に好ましくは90質量%以上であり、100質量%でもよい。ここで、アクリル系ポリマーとは、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル、アクリロニトリルなどのアクリル系モノマーを主たる原料として含むポリマーをいう。
【0044】
オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)のオキサゾリン当量は、特に限定されず、例えば100~300でもよく、150~250でもよい。ここで、オキサゾリン当量とは、オキサゾリン基1モル当たりの化学式量を表す。
【0045】
オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)の重量平均分子量(Mw)は、特に限定されず、例えば10000~200000でもよく、15000~100000でもよく、20000~80000でもよい。
【0046】
オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)としては、例えば、(株)日本触媒製の「エポクロスWS-300」、「エポクロスWS-500」、「エポクロスWS-700」などとして商業的に容易に入手することができ、これらを用いることができる。
【0047】
[水系分散媒(C)]
水系分散媒は、水を含む分散媒であり、水、又は、水と親水性有機溶媒との混合媒体が挙げられる。水系分散体の分散安定性の観点から、水系分散媒は水が好ましく、有機溶媒は含まれてもよいが少量であることが好ましい。一実施形態において、水系分散媒は水を70質量%以上含むことが好ましく、より好ましくは水を80質量%以上含むことであり、より好ましくは水を90質量%以上含むことであり、水が100質量%でもよい。すなわち、水系分散媒において、水/親水性有機溶媒は、質量比で、70/30~100/0であることが好ましく、より好ましくは80/20~100/0であり、更に好ましくは90/10~100/0である。
【0048】
親水性有機溶媒としては、水に溶解する各種有機溶媒が用いられ、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等の低級1価アルコール、エチレングリコール、グリセリン等の多価アルコール、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル等の非プロトン性極性溶媒等が挙げられる。
【0049】
[ポリウレタン水系分散体]
ポリウレタン水系分散体は、水系分散媒(C)にポリウレタン樹脂(A)が分散してなる水系分散体であって、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を含む。このようにポリウレタン樹脂(A)の水系分散体にオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を配合したことにより、樹脂に対する塗膜の密着性を向上することができる。
【0050】
本実施形態では、水系分散体におけるオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)の量が次のように設定される。すなわち、水系分散体には、ポリウレタン樹脂(A)のカルボキシ基100モルに対してオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)のオキサゾリン基が120~300モル含まれる。
【0051】
上記のようにポリウレタン樹脂(A)の酸価を比較的小さくしたうえで、オキサゾリン基のモル数をカルボキシ基のモル数に対して過剰な量(具体的にはモル比として1.2倍以上)に設定することにより、硬化後の塗膜にはオキサゾリン基が残存する。かかる残存したオキサゾリン基によって、樹脂に対する塗膜の密着性を向上することができ、特に上塗り層との密着性を向上することができる。残存したオキサゾリン基が上塗り層に含まれるアクリレート樹脂との密着性に寄与していると考えられるが、これに限定されるものではない。また、オキサゾリン基が300モル以下であることにより、耐ブロッキング性を向上することができる。カルボキシ基100モルに対するオキサゾリン基の量は、より好ましくは130~280モルであり、より好ましくは150~250モルであり、更に好ましくは180~220モルである。
【0052】
ポリウレタン水系分散体におけるポリウレタン樹脂(A)の含有量は、特に限定されず、水系分散体の全質量に対して、例えば5~50質量%でもよく、7~40質量%でもよく、10~30質量%でもよく、15~25質量%でもよい。
【0053】
ポリウレタン水系分散体におけるポリウレタン樹脂(A)の粒子の大きさは、特に限定されず、例えば平均粒子径が0.001~0.5μmでもよい。ここで、平均粒子径は、日機装(株)製「Microtrac UPA-UZ152」を用いて測定される50%累積の粒子径(d50)である。
【0054】
ポリウレタン水系分散体には、その効果が損なわれない限り、他の成分を含んでもよい。当該他の成分は、分散質としての樹脂粒子に含まれてもよく、あるいはまた、水系分散媒に別途分散した状態又は溶解した状態で含まれてもよい。例えば、ポリウレタン水系分散体において、分散質としての樹脂粒子は、ポリウレタン樹脂(A)のみで構成されてもよいが、ポリウレタン樹脂(A)とともに他の成分を含んで構成されてもよい。また、ポリウレタン水系分散体には、ポリウレタン樹脂(A)を水系分散媒(C)に分散させるための界面活性剤が含まれてもよい。なお、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)は、水溶性であるため、通常は水系分散媒に溶解した状態で含まれるが、これに限定されるものではない。
【0055】
[水系分散体の製造方法]
本実施形態に係るポリウレタン水系分散体を製造する方法は特に限定されない。一実施形態において、上記(A1)のアニオン性ポリウレタン樹脂を含む水系分散体は、下記工程(a1)~(a5)により製造してもよい。
工程(a1):芳香族ポリエステルポリオール及びカルボキシ基含有ポリオールを含むポリオールとポリイソシアネートとを反応させて、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを合成する工程。
工程(a2):イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーのカルボキシ基を中和する工程。
工程(a3):イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを水系分散媒に分散させる工程。
工程(a4):イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを鎖伸長剤により鎖伸長する工程。
工程(a5):鎖伸長後のアニオン性ポリウレタン樹脂を含む水系分散体にオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を混合する工程。
【0056】
上記工程(a1)において、ポリイソシアネートは、ポリオールに含まれるヒドロキシ基の量よりも、イソシアネート基が化学量論的に過剰、例えばヒドロキシ基とイソシアネート基との当量比(NCO/OH)が1.05~1.70(より好ましくは1.10~1.60)となるように用いてもよい。
【0057】
また、工程(a1)において、ポリオールとポリイソシアネートとの反応は、有機溶媒なしで実施してもよく、メチルエチルケトンやアセトン等の活性水素基を有しない有機溶媒中で実施してもよい。
【0058】
上記工程(a2)において、カルボキシ基を中和する塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の不揮発性塩基、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の三級アミン類、アンモニア等の揮発性塩基等が挙げられる。
【0059】
上記工程(a3)において、ウレタンプレポリマーを水系分散媒に分散させる方法は特に限定されず、例えば、(i)水系分散媒をホモジナイザーやホモミキサー等によって攪拌しながら、ウレタンプレポリマー又はその溶液を添加する方法、(ii)ウレタンプレポリマー又はその溶液をホモジナイザーやホモミキサー等によって攪拌しながら、水系分散媒を添加する方法等が挙げられる。
【0060】
上記工程(a4)において、鎖伸長剤としては特に限定されず、例えば、水が挙げられ、また、脂肪族ポリアミン化合物(例えば、エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン)、芳香族ポリアミン化合物(例えば、メタキシレンジアミン、トリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン)、脂環式ポリアミン化合物(例えば、ピペラジン、イソホロンジアミン)、ポリヒドラジド化合物(例えば、ヒドラジン、アジピン酸ジヒドラジド)等の多価アミン化合物が挙げられる。
【0061】
工程(a2)の中和と工程(a3)の分散と工程(a4)の鎖伸長は、この順番で実施してもよいが、2工程以上を同時に実施してもよい。例えば、カルボキシ基の中和にアンモニア水を用いる場合、中和と同時に水系分散媒への分散を行い、更に水による鎖伸長が行われてもよい。なお、工程(a1)においてポリオールとポリイソシアネートとの反応を有機溶媒中で行った場合、工程(a4)で水系分散媒に分散させた後に、当該有機溶媒を除去してもよい。
【0062】
一実施形態において、上記(A2)のアニオン性ポリウレタン樹脂を含む水系分散体は、下記工程(b1)~(b4)により製造してもよい。
工程(b1):芳香族ポリエステルポリオール及びカルボキシ基含有ポリオールを含むポリオールとポリイソシアネートとを反応させて、ヒドロキシ基含有ポリウレタン樹脂を合成する工程。
工程(b2):ヒドロキシ基含有ポリウレタン樹脂のアニオン性基を中和する工程。
工程(b3):ヒドロキシ基含有ポリウレタン樹脂を水系分散媒に分散させる工程。
工程(b4):ヒドロキシ基含有ポリウレタン樹脂を含む水系分散体にオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を混合する工程。
【0063】
上記工程(b1)において、ポリオールは、ポリイソシアネートに含まれるイソシアネート基の量よりも、ヒドロキシ基が化学量論的に過剰、例えばヒドロキシ基とイソシアネート基との当量比(NCO/OH)が0.70~0.95(より好ましくは0.75~0.90)となるように用いられる。
【0064】
工程(b2)の中和と工程(b3)の分散は、この順番で実施してもよいが、同時に実施してもよい。例えば、カルボキシ基の中和にアンモニア水を用いる場合、中和と同時に水系分散媒への分散を行ってもよい。なお、工程(b1)においてポリオールとポリイソシアネートとの反応を有機溶媒中で行った場合、工程(b3)で水系分散媒に分散させた後に、当該有機溶媒を除去してもよい。
【0065】
[水性塗料]
本実施形態に係る水性塗料は、上記のポリウレタン水系分散体を含むものであり、従って、水系分散媒(C)と、水系分散媒に分散したポリウレタン樹脂(A)と、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を含む。該水性塗料は、樹脂基材や金属基材等の種々の基材に塗布して用いることができるが、上記のように水系分散体が樹脂に対する塗膜の密着性に優れるため、表面が樹脂からなる基材に塗布するための水性塗料として好適に用いられる。より好ましくはPETフィルム等のポリエステル樹脂基材に塗布するための水性塗料である。ここで、基材はフィルムでもよく、また、板状の基板でもよく、厚み等の形状は特に限定されない。
【0066】
一実施形態において、水性塗料はプライマーとして用いられるプライマー塗料でもよい。例えば、ポリエステル樹脂基材等の樹脂基材上に、本実施形態に係る水性塗料を塗布して塗膜を形成し、該塗膜上に上塗り層として紫外線硬化樹脂(UV硬化樹脂)を塗布してUV硬化樹脂層を形成してなる積層体のプライマー層として用いてもよい。該積層体の用途の一例として、光学フィルムが挙げられる。本実施形態に係る水性塗料からなる塗膜は、ポリエステル樹脂等の樹脂基材との密着性に優れるとともに、紫外線硬化樹脂との密着性にも優れる。そのため、このようなプライマー用として好適である。
【0067】
上塗り層を構成する紫外線硬化樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレートなどのアクリレート樹脂が挙げられる。一実施形態において、ポリアルキレングリコールを構成成分として含む紫外線硬化樹脂を用いてもよい。
【0068】
水性塗料には、一般に水性塗料の膜形成成分として使用される他の水性樹脂を、上記ポリウレタン樹脂(A)とともに併用してもよく、併用しなくてもよい。他の水性樹脂としては、水溶性又は水分散性のアクリル樹脂、水溶性又は水分散性のポリエステル樹脂、水溶性又は水分散性のアルキド系樹脂、水溶性又は水分散性のセルロース系樹脂等が挙げられる。
【0069】
水性塗料におけるポリウレタン樹脂(A)及びオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)の含有量は特に限定されず、例えば、水性塗料に含まれる全樹脂固形分100質量%に対して、両者の合計で20~100質量%でもよく、50~100質量%でもよい。
【0070】
水性塗料には、また、その効果が損なわれない限り、一般に水性塗料に配合される各種添加剤を配合することができる。そのような添加剤としては、例えば、顔料、紫外線吸収剤、光安定剤、表面調整剤、無機充填剤、有機充填剤、分散助剤、防腐剤、防錆剤、酸化防止剤、シランカップリング剤、消泡剤、粘度調整剤、帯電防止剤、架橋剤、有機溶剤等が挙げられる。
【実施例】
【0071】
以下、実施例及び比較例に基づいて、より詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【0072】
実施例で使用した各成分の詳細は以下のとおりである。
【0073】
[ポリオール]
・芳香族ポリエステルポリオール1:官能基数2、数平均分子量1000、固形分70質量%、希釈溶剤MEK。合成方法は以下の通り。
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下槽及び窒素ガス導入管を備えた反応容器に、無水コハク酸16.2質量部、及びビスフェノールAエチレンオキサイド付加物(三洋化成工業(株)製「ニューポールBPE-20NK」)83.8質量部を仕込み、窒素気流下で撹拌しながら250℃まで昇温した。酸価が5mgKOH/g以下になるまで反応を行い(留去水2.92質量部)、70℃まで冷却してから、メチルエチルケトン41.61質量部を加えて、芳香族ポリエステルポリオール1を得た。
【0074】
・芳香族ポリエステルポリオール2:官能基数2、数平均分子量2000、固形分70質量%、希釈溶剤MEK。合成方法は以下の通り。
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下槽及び窒素ガス導入管を備えた反応容器に、無水コハク酸19.9質量部、及びビスフェノールAエチレンオキサイド付加物(三洋化成工業(株)製「ニューポールBPE-20NK」)80.1質量部を仕込み、窒素気流下で撹拌しながら250℃まで昇温した。酸価が5mgKOH/g以下になるまで反応を行い(留去水3.58質量部)、70℃まで冷却してから、メチルエチルケトン41.32質量部を加えて、芳香族ポリエステルポリオール2を得た。
【0075】
・芳香族ポリエステルポリオール3:官能基数2、数平均分子量1000、固形分70質量%、希釈溶剤MEK。合成方法は以下の通り。
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下槽及び窒素ガス導入管を備えた反応容器に、イソフタル酸40.9質量部、アジピン酸19.89質量部、ネオペンチルグリコール25.14質量部、及びエチレングリコール14.07質量部を仕込み、窒素気流下で撹拌しながら250℃まで昇温した。酸価が5mgKOH/g以下になるまで反応を行い(留去水13.76質量部)、70℃まで冷却してから、メチルエチルケトン36.96質量部を加えて、芳香族ポリエステルポリオール3を得た。
【0076】
・脂肪族ポリエステルポリオール:官能基数2、数平均分子量1000、固形分100質量%。合成方法は以下の通り。
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下槽及び窒素ガス導入管を備えた反応容器に、アジピン酸53.1質量部、及びネオペンチルグリコール46.9質量部を仕込み、窒素気流下で撹拌しながら250℃まで昇温した。酸価が5mgKOH/g以下になるまで反応を行い(留去水13.08質量部)、脂肪族ポリエステルポリオールを得た。
【0077】
・ジメチロールプロピオン酸:2,2-ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸、官能基数2
・2,2-ジメチロール酪酸:2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸、官能基数2
・トリメチロールプロパン:官能基数3
・PEG1000:ポリエチレングリコール、官能基数2、数平均分子量1000、第一工業製薬製「PEG 1000」
【0078】
[ポリイソシアネート]
・XDI:キシリレンジイソシアネート(官能基数2)
・TDI:トリレンジイソシアネート(官能基数2)
・HDI:ヘキサメチレンジイソシアネート(官能基数2)
【0079】
[オキサゾリン基含有水溶性ポリマー]
・WS-700:オキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマー、(株)日本触媒製「エポクロスWS-700」、固形分25質量%、オキサゾリン当量220、重量平均分子量40000
・WS-500:オキサゾリン基含有水溶性アクリル系ポリマー、(株)日本触媒製「エポクロスWS-500」、固形分39質量%、オキサゾリン当量220、重量平均分子量70000
【0080】
ポリウレタン水系分散体の評価方法は以下のとおりである。
【0081】
[密着性1及び2]
ポリウレタン水系分散体をプライマー塗料として用いて、その塗膜の樹脂に対する密着性(特にプライマー層とUV硬化樹脂層との密着性)を、PETフィルム/プライマー層/UV硬化樹脂層との三層重ねた状態で、以下の方法により評価した。
【0082】
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ(株)製「ルミラーT-60」)を基材として用いて、基材表面をイソプロピルアルコールにより脱脂した。次いで、下記ポリウレタン水系分散体の処方液をバーコーターで乾燥膜厚が1μmになるように塗布し、180℃で1分間乾燥し、ポリウレタン樹脂の塗膜が形成された試験片Xを得た。
【0083】
・ポリウレタン水系分散体の処方液:
各実施例又は比較例のポリウレタン水系分散体を固形分10質量%となるように水を加えた水分散液に、当該水分散液100質量%に対して0.1質量%の濡れ剤(第一工業製薬(株)製「ネオコールSW-C」)を添加することにより処方液を調製した。
【0084】
試験片Xの塗膜上に、UV硬化樹脂処方液をバーコーターで膜厚12μmになるように塗布した。次いで、UV硬化樹脂処方液の塗布面に対し、高圧水銀灯を用いて600mJ/cm2の紫外線を照射し試験片Yを得た。試験片Yをサンプルとして、JIS K5400-8.5:1990に準拠した1mm碁盤目試験を実施し、PETフィルムとプライマー層とUV硬化樹脂層との密着性を、下記式により算出した。
密着性(%)=100-(剥がれたマス目の数)
【0085】
UV硬化樹脂処方液の詳細は以下の通りである。
・密着性1のUV硬化樹脂処方液:
下記合成例で得られたエポキシアクリレート100質量部に、光重合開始剤(チバスペシャリティーケミカルズ社製「Irgacure184」)3質量部を添加したもの。
フラスコに39質量部のビスフェノールA型エポキシ樹脂(日鉄ケミカル&マテリアル(株)製「YD-901」)、6質量部のアクリル酸、重合禁止剤としてのハイドロキノンモノメチルエーテル0.05質量部、及び、テトラブチルアンモニウムブロマイド0.35質量部を仕込み、100~105℃の条件にて酸価が5mgKOH/g以下になるまで反応させた。これに、55質量部の希釈モノマー(第一工業製薬(株)製「ニューフロンティアOPPE」)を添加して、エポキシアクリレートを得た。
【0086】
・密着性2のUV硬化樹脂処方液:
下記合成例で得られたウレタンアクリレート100質量部に、光重合開始剤(チバスペシャリティーケミカルズ社製「Irgacure184」)3質量部を添加したもの。
フラスコに20質量部のTDIを入れ、攪拌しつつ60質量部のPEG1000を投入し、80℃に昇温し、遊離イソシアネート含量が5.8質量%になるまで反応させた。次いで、重合禁止剤としてのハイドロキノンモノメチルエーテル0.05質量部を加えてから、2-ヒドロキシエチルアクリレート20質量部を投入し、70~80℃で残存イソシアネート濃度が0.1質量%未満になるまで反応を行い、ウレタンアクリレートを製造した。
【0087】
[耐ブロッキング性]
ポリウレタン水系分散体の耐ブロッキング性を以下の方法で評価した。上記密着性評価における試験片X(3×5cm)を2枚用いて、塗装面を内側にして重ね合わせて、重り(1000g)を乗せて温度40℃、湿度95%にて20時間静置した。20時間後、室温まで冷却し、2枚の試験片Xを手で剥離して外観を観察した。剥離時にジッピング無かつ外観に変化がないものを「A」(良好)、剥離時にジッピング有かつ外観に変化がないものを「B」(良好)、一方の塗膜が剥がれて他方に密着していたものを「C」(不良)と評価した。
【0088】
[実施例1]
攪拌機、還流冷却管、温度計及び窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに、92.51質量部の芳香族ポリエステルポリオール1、3.0質量部のジメチロールプロピオン酸、0.5質量部のトリメチロールプロパン、9.82質量部のPEG1000、及び、100質量部のメチルエチルケトンを加えて十分に混合溶解した。次いで、ポリイソシアネートとして21.92質量部のXDIを加え、70~75℃で300分間反応させて、イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。得られたウレタンプレポリマー溶液において、固形分に対する遊離イソシアネート基の含有量は1.2質量%であった。得られたウレタンプレポリマー溶液を60℃まで冷却し、ホモジナイザーを用いて攪拌しながら、25質量%のアンモニア水3.46質量部と水350質量部を混合した溶液を徐々に加えながら乳化分散させた。その後、乳化体を40℃で1時間撹拌し、水による鎖伸長反応を完了させた。これを加熱減圧下、メチルエチルケトンを留去して、固形分25質量%のポリウレタン樹脂の水系分散体を得た。得られた水系分散体に、39.36質量部のWS-700を添加し攪拌して、実施例1のポリウレタン水系分散体を得た。得られたポリウレタン水系分散体において、ポリウレタン樹脂の酸価は12.5mgKOH/gであった。また、ポリウレタン樹脂のカルボキシ基100モルに対するオキサゾリン基の量は200モルであった。
【0089】
[実施例2~13及び比較例1~5]
ポリオール、ポリイソシアネート、中和剤、及びオキサゾリン基含有水溶性ポリマーの種類及び仕込み量(質量部)を、下記表1~3に示す通りに変更し、その他は実施例1と同様にして、実施例2~13及び比較例1~5のポリウレタン水系分散体を得た。但し、比較例3については乳化分散させることができず、そのため、オキサゾリン基含有水溶性ポリマーは添加しておらず、ポリウレタン水系分散体も得られなかった。
【0090】
実施例1~13及び比較例1~5(但し比較例3は除く)のポリウレタン水系分散体について、密着性1及び2、及び、耐ブロッキング性を評価した。結果を表1~3に示す。
【0091】
なお、表1~3における、芳香族ポリエステルポリオールの量は、有効成分である固形分の量であり、括弧内の数値が溶媒を含む量である。オキサゾリン基含有水溶性ポリマーの量は、溶媒を含む各成分の量であり、括弧内の数値が有効成分である固形分の量である。「ポリウレタン樹脂の固形分」は、オキサゾリン基含有水溶性ポリマーを添加する前の水系分散体中のポリウレタン樹脂の固形分(質量%)である。
【0092】
【0093】
【0094】
【0095】
結果は表1~3に示すとおりである。比較例1では、ポリオールに芳香族ポリエステルポリオールが含まれていないため、耐ブロッキング性に劣っていた。比較例2では、ポリウレタン樹脂の酸価が高すぎたため、オキサゾリン基含有水溶性ポリマーを過剰に添加しているにもかかわらず、密着性に劣っていた。比較例3は、ポリウレタン樹脂の酸価が設定値よりも低い4.2mgKOH/gとなるように調製を試みたものであり、カルボキシ基含有ポリオールの量が少なすぎて、ウレタンプレポリマーを乳化させることができなかった。
【0096】
比較例4では、カルボキシ基に対してオキサゾリン基の量が多すぎたため、耐ブロッキング性に劣っていた。逆に、比較例5では、カルボキシ基に対してオキサゾリン基の量が少なすぎて、密着性に劣っていた。
【0097】
これに対し、実施例1~13であると、密着性に優れるとともに、耐ブロッキング性に優れていた。実施例1と実施例5と実施例6との対比より、ポリイソシアネートとしては、脂肪族ポリイソシアネートよりも芳香環含有ポリイソシアネートの方が、耐ブロッキング性が良好になる傾向がみられた。また、実施例1と実施例12との対比より、ポリオールとしてポリアルキレングリコールを含むことにより、特にウレタンアクリレートを含むUV硬化樹脂層に対する密着性2が良好になる傾向がみられた。実施例1と実施例13との対比より、中和剤としては、三級アミン(トリエチルアミン)よりもアンモニアの方が、密着性が良好になる傾向がみられた。
【0098】
なお、明細書に記載の種々の数値範囲は、それぞれそれらの上限値と下限値を任意に組み合わせることができ、それら全ての組み合わせが好ましい数値範囲として本明細書に記載されているものとする。また、「X~Y」との数値範囲の記載は、X以上Y以下を意味する。
【0099】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその省略、置き換え、変更などは、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【要約】
【課題】樹脂に対する塗膜の密着性及び耐ブロッキング性を向上することができるポリウレタン水系分散体を提供する。
【解決手段】実施形態に係るポリウレタン水系分散体は、芳香族ポリエステルポリオールを構成成分として含むポリウレタン樹脂(A)が水系分散媒に分散してなるポリウレタン水系分散体であって、オキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)を含む。該ポリウレタン樹脂(A)はカルボキシ基を有し、該ポリウレタン樹脂(A)の酸価が5~25mgKOH/gである。該ポリウレタン水系分散体には、ポリウレタン樹脂(A)のカルボキシ基100モルに対してオキサゾリン基含有水溶性ポリマー(B)のオキサゾリン基が120~300モル含まれる。
【選択図】なし