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JP7106543B2 - N-ヒドロキシエチルピペリジン(nhep):エポキシ系のための新しい硬化剤 - Google Patents

N-ヒドロキシエチルピペリジン(nhep):エポキシ系のための新しい硬化剤 Download PDF

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Description

発明の背景
アミンは、熱硬化された構造複合材料および接着剤用途のためのエポキシ硬化剤として一般的に使用されている。硬化剤として使用されるアミンのクラスは、硬化された製品の最終性能を達成するために不可欠である。完全硬化を達成するために、各アミンのクラス(第一級、第二級、または三級アミン)が特定の温度で硬化される。硬化温度は最終使用温度を規定し、これはそのTによって示される。一般に、エポキシ樹脂は、第一級および第二級アミンで主に硬化される。第三級アミンは、第一級および第二級アミンと組み合わせて共硬化剤または触媒として一般に使用されている。
第三級アミンは、硬化中にエポキシの単独重合を引き起こし、その結果、脆化のために不十分な機械的特性をもたらすことが知られている。ベンジルジメチルアミン(BDMA)、2,4,6-トリス-(ジメチルアミノメチル)フェノール(Ancamine(登録商標)K-54)、モノ-ジメチルアミノメチルフェノール(A1110(登録商標))のような第三級アミンは、それらが単独重合を引き起こし、その結果、脆化のために不十分な機械的特性および硬化中の高い発熱をもたらすという理由で、主要な硬化剤としての使用には適していない。
エポキシ樹脂系は、複合材料および接着剤をはじめとする様々な構造部品の製造に使用されている。エポキシ樹脂系から製造するために評価されている物品の例としては、複合材料管、圧力容器、自動車部品および風車の羽根が挙げられる。そのような部品の製造には、特に複雑な製造工程が使用されるときに効果的な製造のための多くの要件が含まれる。これらの方法としては、樹脂注入、樹脂トランスファー成形、フィラメントワインディングおよび大型キャスティングが挙げられるが、これらに限定されない。当該技術分野における1つの必要性は、物品の厚い部分における物品(複合材料)のエポキシ樹脂系硬化中の発熱による放熱を減少させることである。なぜなら、そのような部分では硬化中に放たれる発熱による熱を物品から容易に逃がすことができないからである。硬化プロセス中に過度の温度に達すると、「ホットスポット」における硬化樹脂の熱劣化が起こり、製造された部品の機械的特性が損なわれることになる。
さらに、硬化中に複合部品は熱収縮を受ける可能性がある。硬化エポキシ樹脂の熱収縮は、ゲル化時またはゲル化後に達した最高温度からの冷却中に複合材料に応力を蓄積させる。この応力は物品の層間亀裂を時にもたらし、機械的特性が損なわれることになる。ゲル化点後の硬化中に達する温度が高いほど、冷却中に物品に蓄積するであろう応力の量は多くなる。
構造部品を製造するための標準的なエポキシ系は、化学量論量の脂肪族アミン、通常は第一級アミンを用いて硬化される。この系は、一般に高い硬化発熱温度を有し、100グラム質量の樹脂/硬化剤混合物の中心(直径3インチの円筒内に含まれる)は、70℃のオーブンで硬化されたときに250℃以上のピーク温度にしばしば達する。あるいは無水物系の硬化剤を用いて硬化されたエポキシ系は、第一級アミンを用いて硬化されたものよりも低い硬化発熱による放熱をしばしば有し得る。しかしながら、無水物硬化系は、許容可能な程度の硬化および硬化された特性のレベルに達するために、典型的には第一級脂肪族アミンを用いて硬化された系よりも高い金型温度を必要とする。
当該技術分野における他の要件には、高温硬化のために系内に高揮発性成分が存在しないことが含まれる。加工中に揮発性化合物が放出されると、環境、健康、安全面で望ましくない問題が発生する。
複合材料加工のための系は、樹脂系が粘性になり過ぎて基材の繊維および織物を通る十分な流れが得られなくなる前に、強化繊維プリフォームを樹脂で完全に濡らすことを可能にするのに十分低い初期混合粘度(および含浸温度での粘度増加速度)を必要とする。低い初期粘度および長いポットライフに対する要件は、複合部品のサイズが大きくなるにつれて厳しくなる。
上記に照らして、先行技術の樹脂組成物と比較したときに所望の硬化された機械的特性と組み合わせて発熱による放熱が減少したエポキシ樹脂系を製造するための改良された硬化剤に対する当該技術分野における必要性がある。そのような硬化剤は、揮発性放出のような望ましくない特徴を含んでいてはならない。
発明の簡単な概要
N-置換ピペリジン第三級アミン、好ましくはN-ヒドロキシエチルピペリジン(NHEP)が、第三級アミン系硬化剤を用いたときに通常見られる硬化生成物の機械的特性に悪影響を及ぼすことなくエポキシ樹脂組成物の主硬化剤として使用できることが発見された。試験結果は、主硬化剤としてNHEPを使用することが、硬化エポキシ組成物における良好な機械的性能を維持することを示している。さらに、NHEPを含有する配合物は、より低い粘度、より長いポットライフ、低温T発生および硬化中のより低い発熱を与える。NHEPは、所望の特性をさらに高めるために、共硬化剤として第一級および第二級アミンと組み合わせて使用することもできる。接着剤および複合材料(風車羽根、高圧容器など)のような用途にNHEPを使用した予備的な結果は非常に有望である。
本発明の1つの態様は、エポキシ樹脂成分とアミン系硬化剤成分との反応生成物を含有するエポキシ樹脂系である。アミン系硬化剤成分は、第1のアミン成分と、場合により第2のアミン成分とを有する。第1のアミン成分は、1種以上のN-置換ピペリジン第三級アミンからなる。第2のアミン成分は、少なくとも1種の第一級アミンおよび/または少なくとも1種の第二級アミンからなる。
本発明の別の態様は、(a)エポキシ樹脂成分とアミン系硬化剤成分とを組み合わせて初期エポキシ樹脂組成物を形成する工程であって、ここで、アミン系硬化剤成分は、構造:
Figure 0007106543000001
[式中、Aは、CH、O、またはNR’(ここで、R’は、Hまたは1~10個の炭素原子のアルキル基である)であり、Rは、1~10個の炭素原子と任意に1個以上のヘテロ原子とのアルキル基である]によって表される第1のアミン成分を含み、ここで、第1のアミン成分は、アミン系硬化剤の少なくとも1%を構成する工程と、(b)少なくとも1種のアミン化合物とエポキシ樹脂との間で化学反応を起こして硬化エポキシ樹脂組成物を形成する工程とを含む、硬化エポキシ樹脂組成物を製造する方法である。
本発明の別の態様は、エポキシ樹脂成分と硬化剤成分との反応生成物を含む組成物であって、ここで、硬化剤成分は、構造:
Figure 0007106543000002
[式中、Aは、CH、O、またはNR’(ここで、R’は、Hまたは1~10個の炭素原子のアルキル基である)であり、Rは、1~10個の炭素原子と場合により1個以上のヘテロ原子とのアルキル基である]によって表される第1のアミン成分を含み、ここで、第1のアミン成分は、硬化剤成分の少なくとも1(重量)%を構成する、組成物である。
本発明のさらに別の態様は、構造:
Figure 0007106543000003
[式中、Aは、CH、O、またはNR’(ここで、R’は、Hまたは1~10個の炭素原子のアルキル基である)であり、Rは、1~10個の炭素原子と場合により1個以上のヘテロ原子とのアルキル基である]によって表される第1のアミン成分と、第一級アミンおよび第二級アミンの群から選択される少なくとも1種を含む第2のアミン化合物とを含み、ここで、第1のアミン成分は、硬化剤の少なくとも1重量%を構成する、エポキシ樹脂を硬化するための硬化剤を含む。
第2のアミン化合物は、好ましくは、ポリエーテルジアミン、飽和脂肪族環ジアミン、直鎖脂肪族アミン、およびそれらの組合せからなる群から選択される1種以上のアミン化合物を含む。エポキシ樹脂とN-置換ピペリジン第三級アミンおよび第2のアミンとの重量比は、1:0.4:0.6である。
ポリエーテルアミンは、式:HNCH(CH)CH-[OCHCH(CH)]NHを有してよく、xは2~70である。
第1のアミン化合物は、N-ヒドロキシエチルピペリジン、N-ヒドロキシエチルピペラジン、N-ヒドロキシエチルモルホリン、ビス1,4(ヒドロキシエチル)ピペラジン、および5~6員環ヒドロキシアルキル脂環式アミンからなる群から選択される1種以上の化合物であってよく、第2のアミンは、APCHA、イソホロンジアミンおよびポリエーテルアミン:HNCH(CH)CH[OCHCH(CH)]2.5NHの混合物を含み得る。
変性されたアミン化合物、例えばマンニッヒ塩基、ポリアミド化合物、アミン-エポキシ付加物、およびそれらの組合せを、本明細書に記載のN-置換ピペリジン第三級アミン化合物と共に使用するための共硬化剤として使用することができる。
エポキシ樹脂成分は、脂肪族グリコール、脂環式グリコール、トリオール、ポリオール、ポリグリコール、およびそれらの組合せからなる群から選択される化合物のポリグリシジルエーテルを含み得る。エポキシ樹脂系は、ポリオールのポリアクリレートまたはポリメタクリレートエステルをさらに含み得る。
発明の詳細な説明
本発明のエポキシ樹脂系は、少なくとも1種のエポキシ樹脂成分と、少なくとも1種の置換ピペリジンを含有する硬化剤成分との反応生成物を含む。本発明は、特に複合材料用途または周囲温度硬化および熱硬化されたコーティング用途における、エポキシ樹脂用の硬化剤としてのこれらのピペリジンアミンの使用を含む。ピペリジンは、単独でまたは第一級および/または第二級アミンと組み合わせて使用することができる。
従来技術のエポキシ樹脂系では、アミン硬化剤は、通常、系における各エポキシ基に対して硬化剤中に1個の反応性水素原子が存在するような量でエポキシに添加される。これらは化学量論量として知られている。しかしながら、本発明の1つの態様では、第一級および第二級アミンがN-置換ピペリジン第三級アミンと共に共硬化剤として使用されるときに、第一級および/または第二級アミンの-NH結合が、エポキシ基に対して化学量論比≦1で提供され得る。
エポキシ樹脂と、化学量論量の第一級および/または第二級アミンとの混合物に基づく従来技術の系と比較して、本明細書に記載のエポキシ樹脂系は、予期せず驚くべきことに硬化収縮の改善された制御に基づく低下した硬化発熱温度および熱発生の利点と、場合によっては低温下でのより素早い硬化速度(サイクルタイムの短縮を可能にする)とを提供した。
本明細書で使用される「アミン系硬化剤」という用語は、アミンが硬化剤の全重量の少なくとも80(重量)%を構成する硬化剤を意味する。
本明細書で使用される「アミン」または「アミン化合物」という用語は、アルキル基またはアリール基が、窒素に結合した1個以上の水素原子と置き換わっているアンモニアの任意の誘導体を意味する。「第一級アミン」または「第一級アミン化合物」という用語は、アンモニアの3個の水素原子のうちの1個がアルキルまたは芳香族基(C-N結合)で置き換えられているアミンを意味する。「第二級アミン」または「第二級アミン化合物」という用語は、2個の水素の代わりに2個のアルキル基またはアリール基を有するアミンを意味する。「第三級アミン」または「第三級アミン化合物」という用語は、3個の水素すべてがアルキル基またはアリール基で置き換えられているアミンを意味する。複数のクラスのアミン官能基を有する任意のアミンは、複数のクラスのアミン(第一級、第二級、または第三級)に従って分類され得る。
図1を参照すると、NHEPの発熱曲線は、典型的な第三級アミン硬化剤(Ancamine K54または2,4,6-トリス-(ジメチルアミノメチル)フェノール)の発熱曲線と比較される。NHEPのピーク発熱は、K54の場合よりも硬化プロセスのかなり遅い時間に発生し、温度上昇はそれほど強いものではない。硬化プロセス中のより低い発熱による放熱は、先行技術の硬化剤を用いた場合に被る脆化および熱劣化の問題を回避するのを助ける。
エポキシ樹脂組成物
本発明の1つの態様は、エポキシ樹脂成分と、少なくとも1(重量)%のN-置換ピペリジン第三級アミンと、場合により1種以上の第一級アミンおよび/または1種以上の第二級アミンとを含む硬化剤成分との反応生成物を含むエポキシ樹脂組成物を含む。これ以降、1種以上のN-置換ピペリジン第三級アミンからなる硬化剤の部分を第1のアミン成分と称し、第一級および/または第二級アミンを含有する硬化剤の任意の部分を第2のアミン成分と称する。
エポキシ樹脂組成物において、硬化剤中のエポキシ樹脂成分と第1のアミン成分との重量比は、好ましくは1:0.05~1:0.4の範囲である。エポキシ樹脂成分と第2のアミン成分との重量比は、好ましくは1:0.95~1:0.6の範囲である。
第1のアミン成分は、硬化剤の全重量の好ましくは少なくとも1(重量)%、より好ましくは10(重量)%~60(重量)%を構成する。最も好ましくは、第1のアミン成分は、硬化剤の全重量の25(重量)%~35(重量)%を構成する。
エポキシ成分は、エポキシ樹脂系の全重量の好ましくは30(重量)%~99(重量)%、より好ましくは40(重量)%~92(重量)%、最も好ましくは50(重量)%~85(重量)%を構成する。
エポキシ樹脂成分
エポキシ樹脂成分は、単一の樹脂からなることができ、またはそれは相互に相溶性のエポキシ樹脂の混合物であることができる。エポキシ樹脂は、ビスフェノールA樹脂およびビスフェノールF樹脂のような二官能性エポキシを含み得るが、これらに限定されない。本明細書で使用される多官能性エポキシ樹脂は、1分子あたり2個以上の1,2-エポキシ基を含有する化合物を表す。この種のエポキシド化合物は、当業者にはよく知られており、Y. Tanaka, “Synthesis and Characteristics of Epoxides”, in C. A. May, ed., Epoxy Resins Chemistry and Technology (Marcel Dekker, 1988)に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
エポキシ樹脂成分に使用するのに適したエポキシ樹脂の1つのクラスは、二価フェノールのグリシジルエーテルをはじめとする多価フェノールのグリシジルエーテルを含む。説明に役立つ例としては、レゾルシノール、ヒドロキノン、ビス-(4-ヒドロキシ-3,5-ジフルオロフェニル)-メタン、1,1-ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-エタン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシ-3-メチルフェニル)-プロパン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシ-3,5-ジクロロフェニル)プロパン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-プロパン(ビスフェノールAとして商業的に知られている)、ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-メタン(ビスフェノールFとして商業的に知られており、様々な量の2-ヒドロキシフェニル異性体を含み得る)のグリシジルエーテルなど、またはそれらの任意の組合せが挙げられるが、これらに限定されない。さらに、式(1)
Figure 0007106543000004
[式中、mは0~25であり、Rは、二価フェノール、例えば上記の二価フェノールの二価炭化水素基である]の構造のアドバンスト二価フェノール(advanced dihydric phenols)も本開示において有用である。
式(1)に従った材料は、二価フェノールとエピクロロヒドリンとの混合物を重合することによって、または二価フェノールのジグリシジルエーテルと二価フェノールとの混合物をアドバンスすることによって調製することができる。任意の所与の分子において、mの値は整数であるが、材料は常に、必ずしも整数ではないmの平均値によって特徴付けられ得る混合物である。本開示の1つの態様では、0から約7の間のmの平均値を有するポリマー材料を使用することができる。他の実施形態では、エポキシ成分は、2,2’-メチレンジアニリン、m-キシレンジアニリン、ヒダントイン、およびイソシアネートのうちの1種以上からのポリグリシジルアミンであり得る。
エポキシ樹脂成分は、環式脂肪族(脂環式)エポキシドであり得る。適切な環式脂肪族エポキシドの例としては、ジカルボン酸の環式脂肪族エステルのジエポキシド、例えばビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)オキサレート、ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシルメチル)アジペート、ビニルシクロヘキセンジエポキシド;リモネンジエポキシド;ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)ピメレート;ジシクロペンタジエンジエポキシド;およびその他の適切な環式脂肪族エポキシドが挙げられる。ジカルボン酸の環式脂肪族エステルの他の適切なジエポキシドは、例えば、特許出願公開番号国際公開第2009/089145号(WO2009/089145A1)に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
他の環式脂肪族エポキシドとしては、3,3-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、例えば3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート;3,3-エポキシ-1-メチルシクロヘキシル-メチル-3,4-エポキシ-1-メチルシクロヘキサンカルボキシレート;6-メチル-3,4-エポキシシクロヘキシルメチルメチル-6-メチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート;3,4-エポキシ-2-メチルシクロヘキシル-メチル-3,4-エポキシ-3-メチルシクロヘキサンカルボキシレートが挙げられる。他の適切な3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレートは、例えば、米国特許第2,890,194号明細書(U.S. Pat. No. 2,890,194)に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。他の実施形態では、エポキシ成分は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールもしくはポリテトラヒドロフランからのポリオールポリグリシジルエーテルまたはそれらの組合せを含み得る。
別の態様では、ノボラック樹脂のグリシジルエーテルであるエポキシノボラック樹脂を本開示に従った多官能性エポキシ樹脂として使用することができる。さらに別の態様では、少なくとも1種の多官能性エポキシ樹脂は、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル(DGEBA)、アドバンストまたは高分子量型のDGEBA、ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、エポキシノボラック樹脂、またはそれらの任意の組合せである。DGEBAの高分子量型または誘導体は、過剰のDGEBAをビスフェノールAと反応させてエポキシ末端生成物をもたらすアドバンスメントプロセスによって調製される。そのような生成物のエポキシ当量(EEW)は、約450~3,000以上の範囲である。これらの生成物は室温で固体であるので、それらは固体エポキシ樹脂としばしば呼ばれる。
DGEBAまたはアドバンストDGEBA樹脂は、それらの低いコストと一般的に高性能の特性との組合せゆえに構造配合物においてしばしば使用される。約174~約250、より一般的には約185~約195の範囲のEEWを有する市販グレードのDGEBAが容易に入手可能である。これらの低分子量では、エポキシ樹脂は液体であり、液体エポキシ樹脂としばしば呼ばれる。純粋なDGEBAは174のEEWを有するので、ほとんどのグレードの液体エポキシ樹脂はわずかに重合体であることが当業者に理解される。250から450の間のEEWを有し、またアドバンスメントプロセスによって一般的に調製される樹脂は、それらが室温で固体と液体との混合物であるので、半固体エポキシ樹脂と呼ばれる。一般的に、約160~約750の固体に基づくEEWを有する多官能性樹脂が本開示において有用である。別の態様では、多官能性エポキシ樹脂は、約170~約250の範囲のEEWを有する。
最終用途に応じて、エポキシ樹脂成分を変性することによって本開示の組成物の粘度を下げることが有益であり得る。少なくとも1種の多官能性エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂成分は、単官能性エポキシドをさらに含む。モノエポキシドの例としては、スチレンオキシド、シクロヘキセンオキシド、およびフェノール、クレゾール、tert-ブチルフェノール、他のアルキルフェノール、ブタノール、2-エチルヘキサノール、C~C14アルコールのグリシジルエーテルなど、またはそれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。多官能性エポキシ樹脂は、希釈剤が水、有機溶媒、またはそれらの混合物である溶液またはエマルジョン中に存在することもできる。
硬化剤成分
上記のように、硬化剤成分は、好ましくは、第1のアミン成分と、場合により第2のアミン成分とを有するアミン系硬化剤である。第1のアミン成分は、1種以上のN-置換ピペリジン第三級アミンからなる。第2のアミン成分は、少なくとも1種の第一級アミンおよび/または少なくとも1種の第二級アミンからなる。
第1のアミン成分
第1のアミン成分を形成する各N-置換ピペリジン第三級アミンは、式(2):
Figure 0007106543000005
[式中、Aは、CH、O、またはNR’(ここで、R’は、Hまたは1~10個の炭素原子のアルキル基である)であり、Rは、1~10個の炭素原子と場合により1個以上のヘテロ原子(例えばO、N、S)とのアルキル基である]によって好ましくは表される。Rは、好ましくはCHCHOHである。好ましい実施形態では、第1のアミン成分はNHEPを含む。
第2のアミン成分
第2のアミン成分は、単一のアミンまたはアミンの混合物からなることができる。第2のアミン成分中の全てのアミンは、第一級および/または第二級アミンである。
いくつかの用途において、以下が第2のアミン成分として適している:ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、ペンタエチレンヘキサミン(PEHA)、ヘキサメチレンジアミン(HMDA)、N-(2-アミノエチル)-1,3-プロパンジアミン(N-アミン)、N,N’-1,2-エタンジイルビス-1,3-プロパンジアミン(N-アミン)、またはジプロピレントリアミンなどの脂肪族ポリアミン;m-キシリレンジアミン(mXDA)、またはp-キシリレンジアミンなどのアリール脂肪族ポリアミン;1,3-ビスアミノシクロヘキシルアミン(1,3-BAC)、イソホロンジアミン(IPDA)、または4,4’-メチレンビスシクロヘキサンアミン(PACM)、4,4’-メチレンビス-(2-メチル-シクロヘキサンアミン)などの環式脂肪族ポリアミン;m-フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン(DDM)、またはジアミノジフェニルスルホン(DDS)などの芳香族ポリアミン;N-アミノエチルピペラジン(NAEP)、または3,9-ビス(3-アミノプロピル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ(5,5)ウンデカンなどの複素環式ポリアミン;アルコキシ基が、オキシエチレン、オキシプロピレン、オキシ-1,2-ブチレン、オキシ-1,4-ブチレンまたはそれらの共重合体であり得るポリアルコキシポリアミン、例えば4,7-ジオキサデカン-1,10-ジアミン、1-プロパンアミン,3,3’-(オキシビス(2,1-エタンジイルオキシ))ビス(ジアミノプロピル化ジエチレングリコール)(ANCAMINE(登録商標)1922A)、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α-(2-アミノメチルエチル)-ω-(2-アミノメチルエトキシ)(JEFFAMINE(登録商標)D 230、D-400)、トリエチレングリコールジアミンおよびオリゴマー(JEFFAMINE(登録商標)XTJ-504、JEFFAMINE(登録商標)XTJ-512)、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α,α’-(オキシジ-2,1-エタンジイル)ビス(ω-(アミノメチルエトキシ))(JEFFAMINE(登録商標)XTJ-511)、ビス(3-アミノプロピル)ポリテトラヒドロフラン350、ビス(3-アミノプロピル)ポリテトラヒドロフラン750、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル))、a-ヒドロ-w-(2-アミノメチルエトキシ)エーテルと2-エチル-2-(ヒドロキシメチル)-1,3-プロパンジオール(3:1)(JEFFAMINE(登録商標)T-403)、ならびにジアミノプロピルジプロピレングリコールの1種以上から選択されるポリアミン。JEFFAMINE(登録商標)は、Huntsman Petrochemical LLCの登録商標である。
特に適切なポリアミンとしては、イソホロンジアミン(IPDA)、4,4’-メチレンビスシクロヘキサンアミン(PACM)、3,3’ジメチルPACM(ANCAMINE(登録商標)2049A)、N-アミノエチルピペラジン(NAEP)、4,7-ジオキサデカン-1,10-ジアミン、1-プロパンアミン,3,3’-(オキシビス(2,1-エタンジイルオキシ))ビス-(ANCAMINE(登録商標)1922A)、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α-(2-アミノメチルエチル)-ω-(2-アミノメチルエトキシ)(JEFFAMINE(登録商標)D 230、D-400)、ポリ(プロピレングリコール)ビス(2-アミノプロピルエーテル)、アミノプロピルシクロヘキサンアミン(APCHA)、トリエチレングリコールジアミン(JEFFAMINE(登録商標)XTJ-504)、およびポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α,α’-(オキシ(ジ-2,1-エタンジイル))ビス(ω-(アミノメチルエトキシ))(JEFFAMINE(登録商標)XTJ-511)またはそれらの混合物が挙げられる。ANCAMINE(登録商標)は、Evonik Degussa GmbHの登録商標である。
第2のアミン成分を形成するのに適した追加のアミンは、構造(3)
Figure 0007106543000006
[式中、Rは、CHCHCHNHであり;R、RおよびRは、独立して、HまたはCHCHCHNHであり;Xは、CHCHまたはCHCHCHである]の少なくとも1種以上の多官能性アミンを含むポリアミンである。1つの実施形態では、RおよびRは、同時にHではない。
任意の添加剤
複合材料用のエポキシ系配合物は、限定するものではないが、非反応性可塑剤、充填剤、加工助剤、安定剤、脱泡剤、粘度調整剤、UV吸収剤、難燃剤、および/または耐衝撃性改良剤のような添加剤を場合により含み得る。
ポリオールの任意のアクリレートまたはメタクリレートエステルは、エポキシ樹脂成分100部当たり0~約100部までのエステルの重量比でエポキシ樹脂成分とブレンドされる。別の実施形態では、ポリオールのアクリレートまたはメタクリレートエステルは、エポキシ樹脂成分100部当たり約5~約100部のエステルの重量比でエポキシ樹脂成分とブレンドされる。
ナノ材料/充填剤が含まれていてよい。「ナノ材料」という用語には、複層カーボンまたは窒化ホウ素ナノチューブ、単層カーボン、窒化カーボンまたは窒化ホウ素ナノ粒子、窒化カーボンまたは窒化ホウ素ナノ繊維、窒化カーボンまたは窒化ホウ素ナノロープ、窒化カーボンまたは窒化ホウ素ナノリボン、ナノクレイ;細管を含むナノクレイ;層状無機粘土材料;タルク;カーボンブラック;セルロース繊維;シリカ;およびアルミナが含まれるが、これらに限定されない。
強化繊維もエポキシ樹脂系に含まれていてよい。適切な繊維としては、有機または無機繊維、天然繊維または合成繊維が挙げられ、織布またはノンクリンプ織物、不織布ウェブまたはマットの形態、さらには繊維ストランド(ロービング)、または連続もしくは不連続繊維からなる短繊維、例えばガラス繊維、カーボン繊維、カーボンナノチューブ、ナノコンポジット繊維、KEVLAR(登録商標)の商品名で販売されているもののようなポリアラミド繊維、ZYLON(登録商標)の商品名で販売されているもののようなポリ(p-フェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維、SPECTRA(登録商標)の商品名で販売されているもののような超高分子量ポリエチレン繊維、高密度および低密度ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維、セルロース繊維、天然繊維、生分解性繊維およびそれらの組合せの形態でも存在し得る。
これらの繊維(織布または不織布)は、特にフィラメントワインディング(FW)、引抜成形、シート成形コンパウンド、バルク成形コンパウンドオートクレーブ成形、樹脂注入、真空補助樹脂トランスファー成形(VARTM)、樹脂トランスファー成形(RTM)、ウェット/ハンドレイアップ、真空バギング、樹脂含浸、プリプレグ、繊維含浸、圧縮成形(CM)、ブラッシング、スプレー、またはディッピング、キャスティング、射出成形またはそれらの組合せのための標準的な含浸法によって、溶剤または無溶剤エポキシ樹脂混合物で被覆することができる。
硬化エポキシ組成物の形成
エポキシ樹脂組成物を形成するための硬化剤成分とエポキシ成分との混合は、任意の順序で、そして2成分エポキシ組成物について当技術分野で公知の任意の適切な手段によって行うことができる。混合は、マグネチックスターラーによる混合、高剪断混合、手動混合、機械的混合または他の適切な混合方法を含むがこれらに限定されない、混合のための任意の既知の混合方法に従って達成することができる。硬化成分の混合は、0~150℃、好ましくは30~60℃の範囲の温度で行われることが好ましい。
本明細書に記載の硬化性エポキシ樹脂組成物および硬化生成物は、数ある用途の中でも、接着剤、構造用および電気用積層板、コーティング、キャスティング、航空宇宙産業用の構造部品、ならびに電子産業用の回路基板などとして有用であり得る。本明細書に開示の硬化性エポキシ樹脂組成物はまた、電気ワニス、封入剤、半導体、一般成形粉末、フィラメントワインディングパイプ、低圧および高圧パイプおよび継手、低圧および高圧容器、貯蔵タンク、風力タービンブレード、自動車構造部品、航空宇宙構造部品、石油およびガス浮力モジュール(oil and gas buoyance modules)、リグ、井戸プラグ、現場硬化型パイプ(CIPP)、構造接着剤および積層板、コンポジットライナー、ポンプ用ライナー、耐食性コーティング、およびその他の適切なエポキシ含有製品において使用することができる。
硬化性エポキシ樹脂組成物は、強化繊維基材上に複合材料を形成するために使用することができる。強化繊維基材は、1層以上のガラス繊維材料であり得る。強化繊維基材をエポキシ樹脂系と接触させることは、ハンドラミネーション、インフュージョン法、フィラメントワインディング、引抜成形、樹脂トランスファー成形、繊維予備含浸法、およびそれらの組合せを含む群から選択される適用法を含み得る。
1つの実施形態では、硬化エポキシ樹脂組成物を製造する方法は、
(a)エポキシ樹脂成分とアミン系硬化剤成分とを組み合わせて初期エポキシ樹脂組成物を形成する工程であって、ここで、アミン系硬化剤成分は、構造:
Figure 0007106543000007
[式中、Aは、CH、O、またはNR’(ここで、R’は、Hまたは1~10個の炭素原子のアルキル基である)であり、Rは、1~10個の炭素原子と任意に1個以上のヘテロ原子とのアルキル基である]によって表される第1のアミン成分を含み、ここで、第1のアミン成分は、アミン系硬化剤の少なくとも1%を構成する工程と、(b)少なくとも1種のアミン化合物とエポキシ樹脂との間で化学反応を起こして硬化エポキシ樹脂組成物を形成する工程とを含む。方法工程(a)および(b)は、第1の周囲温度ならびに第1の周囲温度を50℃以下で上回る温度に維持される工程(a)および(b)を通じて初期エポキシ樹脂組成物の最大内部温度で実施され得る。
硬化されると、エポキシ樹脂成分と硬化剤成分との反応生成物は、示差走査熱量測定(DSC)によって測定して2時間未満の硬化時間で70℃以上のTおよび少なくとも50cpsの第1の粘度を示し得る。硬化時に、エポキシ樹脂成分と硬化剤との反応生成物は、70℃のオーブン内で100グラムの質量に対して50℃以下の最大発熱温度を示し得る。
エポキシ樹脂成分と硬化剤とから形成される製品は、形成中に50℃以下の最大発熱温度を示し得る。製品は、強化繊維基材をさらに含んでいてよい。製品は、様々な構造部品の形態であり得る。製品は、2%以上の歪みおよび40GPaを超える横方向引張弾性率、40MPaを超える面内層間剪断強度を伴う70MPaを超える曲げ強さを示し得る。
実施例
比較のために、エポキシ樹脂成分と硬化剤成分との6つの配合物を調製した。配合物のエポキシ樹脂成分については、EEW 180およびEEW 190を有するエポキシ樹脂をEpodil(登録商標)750希釈剤と組み合わせた。
Figure 0007106543000008
表1の配合物1~6では、EEW 180およびEEW 190を有する2つの異なる樹脂を使用した。硬化剤成分は、表1に記載されているような第一級、第二級および第三級アミン組成物の組合せを含む。第1のアミン成分は、n-ヒドロキシエチルピペリジン(NHEP)である。第2のアミン成分は、第一級および第二級アミンを含む。第一級アミンとしては、ポリ(プロピレングリコール)ビス(2-アミノプロピルエーテル)(Jeffamine D230)およびアミノプロピルシクロヘキサンアミン(APCHA)が挙げられる。第二級アミンとしては、アミノプロピルシクロヘキサンアミン(APCHA)が挙げられる。
Figure 0007106543000009
表2は、表1からの配合物1~6のポットライフ、ゲル化時間およびガラス転移温度を示す。
例2に示される全ての組成物の反応性を、スピンドル番号27のブルックフィールド粘度計RVを用いて30℃で測定した。12グラムのエポキシアミン混合物を用いて反応性を測定した。
例2に示される全ての配合物のゲル化時間を測定するためにTECHNEゲルタイマーを使用した。金属ロッドの一端をTECHNEゲルタイマーに接続し、他端を直径1インチの皿に接続した。エポキシ樹脂成分と硬化剤成分とを25℃で別々に予熱した。合計150グラムの混合物(エポキシ樹脂成分と硬化剤成分)を3~5分間混合した。直径1インチの皿を混合物に浸し、正確な読取値を得るためにゲル化時間を直ちにONにした。
示差走査熱量測定(DSC)を用いてT(ガラス転移温度)を測定した。25℃で開始し、10℃/分で300℃まで加熱し、次いで205℃まで冷却して2度目のスキャンを行うプログラムを用いて、各配合物1~6の20mgの試料をDSC(TA Instruments QA20)によって分析した。最初のスキャンは、開始温度、ピーク発熱および反応熱を含む硬化データを提供し、一方で2度目のスキャンではガラス転移温度が確認される。
概略図2に示すように、以下の工程を用いて真空支援樹脂トランスファー成形(VARTM)を用いて配合物1および6の複合パネル(表1参照)を製造した:
(1)金型(10)を作製するにあたって、アルミニウム表面へのエポキシの付着を回避するために、金型の内面全体をSEALER GPで被覆し、続いてZyvaxのENVIROSHIELD NON-HAZARDOUS RELEASE AGENT(安全な離型剤)で被覆した。
(2)金型を30分間45℃に加熱して、ガラス織物を積み重ねる前に離型剤が完全に乾燥するようにした。型板を機械加工して6インチ×6インチ×1/8インチ(15cm×15cm×0.32cm)(長さ×幅×奥行き)の複合パネルを製造する。12層の一方向繊維ガラス(275グラム/平方メートル)を、各層に織物の重なりおよびしわがないように慎重に金型キャビティ(20)に積み重ねた。次いで金型(10)の上半分(30)を閉じ、45℃で加熱し続けた(例示目的のために開いて図示されている)。必要な管を接続し、回転真空ポンプ(40)を用いて系を排気した。約15psiまたは29インチHg真空(98KPa)の真空圧を達成し、維持した。
(3)上記の例1に記載の化学量論量のEpon826およびアミン硬化剤を40℃で3~5分間手動混合した。取り込まれた空気を、5分間または混合物が透明になるまで混合物を遠心分離機に入れることによって除去した。混合物を金型の導入管の近くに置いた。PVCボール弁を穏やかに開いて混合物を管を通して流して、閉じられたアルミニウム金型内の層状ガラス繊維プライを通して注入した。予め秤量した混合物の大部分がビーカーから消費されるまで、繊維に樹脂を注入する。過剰の樹脂はキャッチポットに集める。一体型のロッドヒーターにより、注入中に金型を予熱することができ(40~60℃)、これにより金型内の樹脂の流れが均一になり、繊維の濡れ性が向上する。後硬化のために金型をより高い温度(2時間80℃+3時間150℃)に加熱した。硬化スケジュールを終えた後、金型を室温まで冷却して複合パネルを取り除いた。
上記のように作製した複合パネルの機械的特性を表3に示す。
Figure 0007106543000010
上に示される試験結果は、主硬化剤としてNHEPを含む配合物が、硬化された製品において所望の機械的特性を維持しながら、長いポットライフおよびゲル化時間を示すことを表している。

Claims (17)

  1. 硬化エポキシ樹脂組成物を製造する方法であって、
    (a)エポキシ樹脂成分とアミン系硬化剤成分とを組み合わせてエポキシ樹脂組成物を形成する工程であって、ここで、前記アミン系硬化剤成分は、N-ヒドロキシエチルピペリジンを含む第1のアミン成分と、第一級アミンおよび第二級アミンの群から選択される少なくとも1種のアミン化合物を有する第2のアミン成分とを含み、ここで、前記第1のアミン成分は、前記アミン系硬化剤成分の10~60重量%を構成する工程と、
    (b)少なくとも1種の前記アミン成分と前記エポキシ樹脂成分との間で化学反応を起こして硬化エポキシ樹脂組成物を形成する工程と
    を含む、方法。
  2. (c)工程(a)および(b)を第1の温度で実施する工程と、
    (d)前記第1の温度を50℃以下で上回る、工程(a)および(b)を通じて前記エポキシ樹脂組成物の最大内部温度を維持する工程と
    をさらに含む、請求項1記載の方法。
  3. 工程(a)は、エポキシ樹脂成分とアミン系硬化剤成分とを組み合わせて、少なくとも50cpsの第1の粘度を有するエポキシ樹脂組成物を形成することをさらに含み、工程(b)は、少なくとも70℃のTを有する硬化エポキシ樹脂組成物を形成することをさらに含む、請求項2記載の方法。
  4. (c)前記エポキシ樹脂組成物を、工程(a)の実施後に強化繊維基材に適用することをさらに含む、請求項1記載の方法。
  5. エポキシ樹脂成分と硬化剤成分との反応生成物を含む組成物であって、ここで、前記硬化剤成分は、N-ヒドロキシエチルピペリジンを含む第1のアミン成分と、第一級アミンおよび第二級アミンの群から選択される少なくとも1種のアミン化合物を有する第2のアミン成分とを含み、ここで、前記第1のアミン成分は、硬化剤の10~60重量%を構成する、組成物。
  6. 前記エポキシ樹脂成分に対する前記第2のアミン成分の化学量論比をさらに含み、ここで、前記化学量論比は1未満である、請求項記載の組成物。
  7. 前記エポキシ樹脂成分は、前記組成物の約30重量%~約99重量%を含む、請求項記載の組成物。
  8. 前記エポキシ樹脂成分は、多価フェノールのグリシジルエーテルを含む、請求項記載の組成物。
  9. エポキシ樹脂組成物は、レゾルシノール、ヒドロキノン、ビス-(4-ヒドロキシ-3,5-ジフルオロフェニル)-メタン、1,1-ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-エタン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシ-3-メチルフェニル)-プロパン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシ-3,5-ジクロロフェニル)プロパン、2,2-ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-プロパン、ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-メタン、ノボラック樹脂のグリシジルエーテル、およびそれらの組合せの群から選択される少なくとも1種のグリシジルエーテルを含む、請求項記載の組成物。
  10. 前記エポキシ樹脂組成物はさらに、以下の構造:
    Figure 0007106543000011
    [式中、mは0~25であり、Rは、二価炭化水素基である]の少なくとも1種の二価フェノールを含む、請求項記載の組成物。
  11. 前記エポキシ樹脂成分は、ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)オキサレート、ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビス(3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシルメチル)アジペート、ビニルシクロヘキセンジエポキシド;リモネンジエポキシド;ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)ピメレート;ジシクロペンタジエンジエポキシド、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート;6-メチル-3,4-エポキシシクロヘキシルメチルメチル-6-メチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート;3,4-エポキシ-2-メチルシクロヘキシル-メチル-3,4-エポキシ-3-メチルシクロヘキサンカルボキシレート、およびそれらの組合せの群から選択される少なくとも1つの要素を含む、請求項記載の組成物。
  12. 前記第2のアミンは、ポリ(プロピレングリコール)ビス(2-アミノプロピルエーテル)、アミノプロピルシクロヘキサンアミン、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、テトラエチレンペンタミン(TEPA)、ペンタエチレンヘキサミン(PEHA)、ヘキサメチレンジアミン(HMDA)、N-(2-アミノエチル)-1,3-プロパンジアミン(N-アミン)、N,N’-1,2-エタンジイルビス-1,3-プロパンジアミン(N-アミン)、またはジプロピレントリアミン;m-キシリレンジアミン(mXDA)、またはp-キシリレンジアミンなどのアリール脂肪族ポリアミン;1,3-ビスアミノシクロヘキシルアミン(1,3-BAC)、イソホロンジアミン(IPDA)、または4,4’-メチレンビスシクロヘキサンアミン(PACM)、4,4’-メチレンビス-(2-メチル-シクロヘキサンアミン)などの環式脂肪族ポリアミン;m-フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン(DDM)、またはジアミノジフェニルスルホン(DDS)などの芳香族ポリアミン;3,9-ビス(3-アミノプロピル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ(5,5)ウンデカンなどの複素環式ポリアミン;アルコキシ基が、オキシエチレン、オキシプロピレン、オキシ-1,2-ブチレン、オキシ-1,4-ブチレンまたはそれらの共重合体であり得るポリアルコキシポリアミン、例えば4,7-ジオキサデカン-1,10-ジアミン、1-プロパンアミン,3,3’-(オキシビス(2,1-エタンジイルオキシ))ビス(ジアミノプロピル化ジエチレングリコール)(ANCAMINE(登録商標)1922A)、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α-(2-アミノメチルエチル)-ω-(2-アミノメチルエトキシ)、トリエチレングリコールジアミンおよびオリゴマー、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル)),α,α’-(オキシジ-2,1-エタンジイル)ビス(ω-(アミノメチルエトキシ))、ビス(3-アミノプロピル)ポリテトラヒドロフラン350、ビス(3-アミノプロピル)ポリテトラヒドロフラン750、ポリ(オキシ(メチル-1,2-エタンジイル))、a-ヒドロ-w-(2-アミノメチルエトキシ)エーテルと2-エチル-2-(ヒドロキシメチル)-1,3-プロパンジオール(3:1)、ならびにジアミノプロピルジプロピレングリコールの群から選択される少なくとも1種を含む、請求項から11までの何れか1項に記載の組成物。
  13. 強化繊維をさらに含む、請求項記載の組成物。
  14. 前記強化繊維は、織布またはノンクリンプ織物、不織布ウェブまたはマット、繊維ストランド、連続もしくは不連続繊維からなる短繊維、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項13記載の組成物。
  15. 前記強化繊維は、ガラス繊維、カーボン繊維、カーボンナノチューブ、ナノコンポジット繊維、ポリアラミド繊維、ポリ(p-フェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維、アラミドケブラー繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、高密度および低密度ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維、セルロース繊維、天然繊維、生分解性繊維およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項13記載の組成物。
  16. 前記組成物は、樹脂注入、真空補助樹脂トランスファー成形(VARTM)、樹脂トランスファー成形(RTM)、フィラメントワインディング(FW)、圧縮成形(CM)、ウェット/ハンドレイアップ、真空バギング、射出成形、プリプレグ、繊維含浸、キャスティングおよびそれらの組合せからなる群から選択される方法で作製される、請求項13記載の組成物。
  17. 低圧および高圧パイプおよび管継手、低圧および高圧容器、貯蔵タンク、風力タービンブレード、自動車構造部品、航空宇宙構造部品、石油およびガス浮力モジュール、リグ、井戸プラグ、現場硬化型パイプ(CIPP)、構造接着剤および積層板、封入剤、半導体、耐食性コーティング、コンポジットライナーおよびその他の適切なエポキシ含有用途からなる群から選択される、請求項13に記載される組成物の使用。
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