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KR102481812B1 - 폴리이소시아누레이트 기재 중합체 및 섬유 강화된 복합재 - Google Patents

폴리이소시아누레이트 기재 중합체 및 섬유 강화된 복합재 Download PDF

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KR102481812B1
KR102481812B1 KR1020217021088A KR20217021088A KR102481812B1 KR 102481812 B1 KR102481812 B1 KR 102481812B1 KR 1020217021088 A KR1020217021088 A KR 1020217021088A KR 20217021088 A KR20217021088 A KR 20217021088A KR 102481812 B1 KR102481812 B1 KR 102481812B1
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헨리 에이. 소다노
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트라이머 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 반응 혼합물의 평균 이소시아네이트 관능가가 2.1 초과가 되게 하는 하나 이상의 다관능성 이소시아네이트, 및 적어도 하나의 삼량체화 촉매 및 적어도 하나의 에폭시드 기를 포함하는 촉매 조성물을 포함하는 반응 혼합물; 및 반응 혼합물을 경화시켜 이소시아네이트 그 자체의 반응 생성물로 구성된, 경화된 중합체 조성물을 제공하는 것에 관한 것이다.

Description

폴리이소시아누레이트 기재 중합체 및 섬유 강화된 복합재
본 발명은 일반적으로 주로 이소시아네이트 반응 혼합물에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은, 경화 시 높은 강도, 높은 파단 변형률, 높은 파괴 인성 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체를 생성하는, 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 포함하는, 주로 이소시아네이트 반응 혼합물에 관한 것이다.
이소시아누레이트는 세 개의 이소시아네이트의 삼량체화를 통해 형성되며, 폴리우레탄, 에폭시 및 폴리우레아의 열적 안정성을 증진하기 위해 수십년 동안 널리 사용되어 왔다. 이소시아누레이트는 또한 그의 탁월한 난연성으로 인해 발포체의 제조에 널리 사용되지만, 본질적으로 폴리이소시아누레이트만을 기재로 하는 고밀도 중합체는 중합체의 인성을 증진하는 역할을 하는 부가적인 결합의 형성 없이는 사용되지 않는다. 폴리이소시아누레이트 발포체의 취성 또는 부서지기 쉬운 특성으로서 널리 공지되어 있는 결점을 극복하기 위해, 폴리이소시아누레이트는 이소시아네이트 기를 소비하고 중합체 중 이소시아누레이트의 분율을 제한하는 높은 백분율의 반응물을 포함해야 했다. 예를 들어, US 특허 4568701A에는 발포체의 취성을 저감하기 위해 "활성 수소 관능기를 특징으로 하고 약 50 초과의 히드록실가 및 약 2,000 미만의 당량을 갖는, 발포체 배합물의 중량을 기준으로 4% 내지 20%의 표면 활성 유기 실리콘 화합물, 및 가소화 양의 비휘발성 유기 가소제"를 사용하는 것에 대해 설명되어 있다. US3676380A에는 중합체의 탄성을 증진하는 폴리우레탄 결합을 형성하기 위해 1 내지 10%의 지방족 디올을 사용하는 것에 대해 설명되어 있다. U.S. 특허 3,793,236에는 3급 아민과 같은 삼량체화 촉매를 사용하여 이소시아네이트-종결된 폴리옥사졸리돈 예비중합체를 삼량체화하는 것에 대해 설명되어 있다. 발명자들은 생성된 중합체가 옥사졸리돈 결합의 혼입으로 인해 저감된 취성 및 우수한 난연성을 나타낸다고 설명한다. CN 특허 출원 공개 번호 103,012,713A에는 높은 수준의 순수 폴리이소시아누레이트 가교결합 밀도를 갖는 발포체는 부서지기 너무 쉬운 특성을 가지며 "실용적 가치가 없다"고 개시되어 있다. 발명자들은 덜 부서지기 쉬운 특성을 달성하기 위해 10-50% 에폭시 수지를 사용한다.
폴리이소시아누레이트가 낮은 공극 함량을 갖는 조밀한 플라스틱의 제조에 사용되는 경우에, 상기 재료는 인성을 증진하는 역할을 하는 선형 결합, 사슬 연장제 또는 유연성 기의 혼입 없이는 부서지기 쉬운 것으로 널리 공지되어 있고, 즉 U.S. 특허 번호 3,793,236; 8,501,877; U.S. 특허 출원 공개 번호 2010/0151138A1에 개시된 옥사졸리돈; EP 특허 번호 226,176B1; EP 0,643,086A1 U.S. 특허 번호 9,334,379에 개시된 우레탄; 및 U.S. 특허 번호 6,617,032B2; 및 CN 특허 번호 103,568,337B에 개시된 우레아이다. 예를 들어, U.S. 특허 번호 4,564,651에는 1:5 미만의 에폭시 대 이소시아네이트 비를 갖는 경화된 이소시아네이트/에폭시 블렌드는 부서지기 극히 쉽고 디페닐메탄 디이소시아네이트 (MDI)의 농도가 증가할수록 점점 더 불량해진다고 교시되어 있고, U.S. 특허 번호 5,036,135에는 20% 미만의 에폭시가 폴리이소시아누레이트 중합체에 포함되는 경우에 그것은 불량한 기계적 특성을 나타낸다고 교시되어 있다. 이들 두 개의 특허에는 높은 온도에서의 이소시아네이트와 에폭시 사이의 반응의 결과물인 20% 미만의 에폭시 또는 20% 미만의 옥사졸리돈을 갖는 높은 강도 및 인성을 갖는 중합체를 수득하는 것이 불가능하다고 교시되어 있다. EP 특허 출원 번호 3,189,088A1 호에는 추가로 "폴리이소시아누레이트를 포함하는 재료를 강인화하는 것은 매우 어려운 것으로 공지되어 있고 일부는 부서지기 너무 쉬워서 그것을 효과적으로 강인화하지 못 할 수 있다"고 교시되어 있고 "파괴 인성을 증진하려는 과거의 시도는 종종 탄성률의 변화 (전형적으로 감소) 및 열적 특성의 저하, 예를 들어, 유리 전이 온도 (Tg)의 저하를 감수하며 이루어졌으므로, 생성된 복합재의 응용성이 허용 불가능한 정도로 제한된다"고 교시되어 있다.
US 특허 출원 공개 번호 2018/0051119 A1에는 적어도 하나의 에폭시 수지 대 적어도 하나의 이소시아네이트 수지의 몰비가 적어도 0.4:1, 가장 바람직하게는 1:1이어야 하며 이러한 비는 "유리 전이 온도, 탄성률 및 내충격성과 관련하여 특히 유리한 특성"을 초래한다고 교시되어 있다. 이들 바람직한 비는 바람직한 인장 강도, 인장 강성도 및 파단 인장 변형률 결과를 달성하기 위한 에폭시의 촉매량을 훨씬 초과한다. 더욱이, 전술된 특허에는 본질적으로 폴리이소시아누레이트로 구성된 중합체 및 발포체는 부서지기 매우 쉽다고 명확하게 교시되어 있다.
U.S. 특허 번호 4,070,416에는 1 미만의 에폭시 대 이소시아네이트 비를 갖는 옥사졸리돈/이소시아누레이트 중합체의 제조 공정이 개시되어 있고, 0.29 내지 0.5의 범위의 가장 유리한 에폭시 대 이소시아네이트 비에서 높은 유리 전이 온도 및 우수한 기계적 특성이 수득된다고 지적되어 있다. U.S. 특허 번호 4,070,416에는 "높은 가교결합 밀도를 갖는 이소시아누레이트 결합 부분 및 에폭시드를 기재로 하는 상대적으로 유연한 부분이 함께 존재하기 때문에, 두 개의 부분들 사이의 적절한 균형을 유지함으로써 탁월한 기계적 특성을 갖는 경화된 생성물을 수득할 수 있었다"고 개시되어 있다. 발명자들은 "다관능성 유기 이소시아네이트가 5 당량 이상의 양으로 존재하는 경우에, 경화된 생성물이 놀라울 정도로 부서지기 쉬워지는 경향이 있다. 특히, 다관능성 유기 이소시아네이트가 2 내지 3.5 당량의 범위 내에서 사용되는 경우에, 열적 안정성 및 기계적 성능의 측면에서 우수한 결과가 수득된다"고 말한다. U.S. 특허 번호 4,564,651에는 발명자들이 US 특허 4,070,416의 중합체의 결과를 에폭시 대 이소시아네이트 비에 대해 명시된 범위에서 평가하였고 "주어진 가교결합 조건에 따라, 부서지기 극히 쉬운 옥사졸리돈/이소시아누레이트 성형 재료가 수득되며, 디페닐메탄 디이소시아네이트 (MDI)의 농도가 증가할수록 기계적 특성이 점점 더 불량해진다"는 것을 밝혀내었다고 개시되어 있다. 발명자들은 우수한 기계적 특성을 갖는 중합체를 수득하기 위해서는 이소시아네이트에 대해 1 내지 5배의 에폭시를 혼합해야 한다고 주장한다. 이러한 개시내용에서는 높은 강도, 높은 파단 변형률, 높은 파괴 인성 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체를 획득하기 위해 높은 분율의 옥사졸리돈이 필요하다는 것이 반박되어 있고, 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)가 촉매량의 에폭시와 함께 반응 혼합물에 포함되면, 본질적으로 이소시아누레이트 가교결합으로 이루어진 경화된 조성물이 탁월한 기계적 특성을 제공할 수 있다고 설명되어 있다.
옥사졸리돈은 그의 우수한 열적 안정성으로 인해 상당히 다양한 응용분야에 사용되어 왔지만, 옥사졸리돈의 형성은 전형적으로 150℃ 초과의 높은 온도를 필요로 하므로 모든 응용분야와 양립하는 것은 아니다. 폴리우레탄은 코팅, 접착제, 밀봉재 및 엘라스토머 (CASE)뿐만 아니라 경질 플라스틱의 개발에 있어서 일반적인 화학 물질이고, 히드록실과 이소시아네이트의 반응을 통해 형성되며, 이때 대부분의 중합체는 디올 또는 폴리올과 디이소시아네이트 또는 폴리이소시아네이트의 반응으로부터 형성된다. 삼량체화가 요망되는 경우에, 이러한 화학 물질이 종종 예비중합체를 형성하는 데 사용되거나 반응 혼합물에 혼입되어, 반응 혼합물에 포함된 이소시아네이트 (NCO로 표시됨)의 중량 퍼센트가 감소하고 경화된 조성물이 개선된 탄성 및 인성을 나타내지만, 전형적으로 영률 및 유리 전이 온도 (Tg)가 희생된다. US 특허 9,816,008 B2에는 10:1의 이소시아네이트 대 폴리올 비의 상한 또는 다시 말해 10의 이소시아네이트 지수를 갖고서 존재하는 하나 이상의 폴리올을 사용하여 경화시키는 것이 일반적으로 바람직하다고 교시되어 있다. U.S. 특허 번호 6,294,117에는 포름알데히드를 필요로 하지 않는 목재 접착제를 제조하기 위해 중합체성 MDI와 함께 페놀 노볼락 수지를 pMDI에 대해 2:1 내지 10:1, 바람직하게는 3:1 내지 7:1의 농도비로 사용하는 것이 개시되어 있다. 특허 번호 6,294,117에는 pMDI가 높은 인성을 갖는 고강도 중합체를 형성하기 위해 높은 백분율의 페놀 노볼락 수지를 필요로 한다고 교시되어 있다. 각각의 이들 특허에는 허용 가능한 기계적 특성을 갖는 경화된 조성물을 획득하기 위해 우레탄 결합이 필요하다고 교시되어 있다.
수많은 특허는 조밀한 중합체를 형성하기 위해 활성 수소를 함유하는 분자와 후속적으로 반응할 수 있는 말단 이소시아네이트 기를 갖는 올리고머 예비중합체의 형성에 초점을 맞추고 있다. U.S. 특허 번호 4,382,125에는 MDI 이성질체와 중합체성 MDI의 이소시아네이트 블렌드를 예비중합시켜 부분 삼량체화된 이소시아누레이트 중합체를 형성하고 그것을 후속적으로 폴리올과 반응시켜 이소시아누레이트 발포체의 취성을 저감하는 것에 대해 설명되어 있다. U.S. 특허 번호 6,515,125에는 20 내지 88 중량%의 TDI 및 12 내지 80 중량%의 MDI를 함유하는, 24 내지 40 중량%의 NCO 기 함량을 갖는, 저장-안정성이며 액체인 부분 삼량체화된 폴리이소시아네이트가 개시되어 있다. U.S. 특허 번호 4,518,761에는 삼량체화 촉매의 존재 하에 (삼량체화에 대해) 상이한 반응성을 갖는 두 개의 이소시아네이트 성분의 이소시아네이트 기를 적어도 부분적으로 삼량체화하는 혼합된 삼량체의 제조 공정, 및 이러한 공정에 의해 제조된 혼합된 삼량체가 개시되어 있다. U.S. 특허 번호 4,456,709에는 36.5 내지 45%의 NCO 기 함량을 갖고 25 내지 70부의 부분 삼량체화된 2,4-TDI와 75 내지 30부의 미개질 2,4- 및/또는 2,6-TDI의 혼합에 의해 제조된 저장-안정성 액체 폴리이소시아네이트에 대해 설명되어 있다. 이들 참조문헌에는 방향족, 지방족, 및 블렌딩된 방향족 및 지방족 구조의 이소시아누레이트 예비중합체를 제조하는 수많은 방법이 개시되어 있지만, 이들 참조문헌 중 어느 것에도 본질적으로 이소시아네이트의 반응을 통해 제조되는 경화된 조성물은 개시되어 있지 않다.
증진된 파괴 인성을 나타내는 폴리이소시아누레이트 중합체의 제조에 대한 대안적인 접근법은 아미드, 이미드, 우레아, 우레탄, 알로파네이트 또는 비우레트 결합을 포함하는 예비중합체의 제조 및 이소시아네이트 종결된 예비중합체의 후속적인 삼량체화이다. U.S. 특허 번호 6,028,158 및 6,063,891에는 약 15 내지 약 42%의 NCO 기 함량을 갖는 알로파네이트-개질된 톨루엔 디이소시아누레이트가 개시되어 있다. 이들 조성물은 촉매량의 C) 적어도 하나의 알로파네이트-삼량체 촉매 또는 알로파네이트-삼량체 촉매 시스템의 존재 하에 A) 톨루엔 디이소시아네이트 및 B) 적어도 하나의 히드록실 기를 함유하는 유기 화합물을 반응시킴으로써 제조된다. 이들 조성물은 이소시아누레이트 기 및 높은 백분율의 알로파네이트 기뿐만 아니라 우레탄 기를 모두 함유한다. 그러나 이들 특허에는 알로파네이트-개질된 톨루엔 디이소시아누레이트를 그 자체와 또는 다른 이소시아네이트 종결된 단량체, 올리고머 또는 예비중합체 또는 중합체와 후속적으로 반응시켜 경화된 조성물을 형성하는 것이 교시되어 있지 않다.
US 특허 번호 4,359,550, 3,817,939 및 4,359,541에는 삼량체화된 예비중합체를 형성하고 후속적으로 잔류 유리 이소시아네이트를 일관능성 활성 수소 화합물 또는 그의 혼합물과 반응시켜 이소시아누레이트 삼량체를 함유하는 폴리우레탄을 제조하는 것에 대해 설명되어 있다. 활성 수소 함유 분자와 후속적으로 반응하는 이소시아누레이트 함유 예비중합체의 형성 또는 우레탄, 우레아, 알로파네이트, 아미드, 비우레트 또는 옥사졸리돈을 사용하여 제조된 이소시아네이트 종결된 예비중합체의 삼량체화에 대한 많은 문헌이 있지만, 각각의 반응 혼합물은, 경화된 조성물을 형성하기 위해, 따라서 우레탄, 아미드, 우레아, 비우레트 또는 알로파네이트 반응 생성물을 사용하여 경화된 조성물을 형성하기 위해, 활성 수소 화합물을 필요로 한다. 본 발명에서는, 경화된 조성물을 형성하도록, 본질적으로 이소시아네이트 종결된 단량체, 올리고머 또는 예비중합체 또는 중합체로 이루어진 반응 혼합물로부터 제조된, 경화된 조성물이 개시된다.
EP 특허 번호 226,176 B1에는 폴리이소시아누레이트를 기재로 하고 강화 충전제를 함유하는 복합 재료가 설명되어 있고, 여기서 상기 폴리이소시아누레이트 매트릭스는 하기 식을 갖는 이소시아누레이트 반복 구조 단위체로부터 유도된다:
Figure 112021077605417-pct00001
여기서 적어도 하나의 기 X는 기 -R1-NCO를 나타내고 적어도 하나의 기 X는 기 -R1-NH-CO-OR2-(-OCO-NH-R1-NCO)n을 나타내며, 여기서 n은 1 내지 8, 바람직하게는 1 내지 3의 정수이고, R1은 최대 20개의 탄소 원자를 함유하는 지방족, 시클로지방족, 방향족 또는 혼합된 기이고, R2는 Rl과 동일하거나 상이하며 최대 20개의 탄소 원자를 함유하는 지방족, 시클로지방족, 방향족 또는 혼합된 기이거나 또한 카르보닉, 실록산, 실란 또는 상응하는 혼합된 기이고; 상기 복합 재료는 하기에 명시된 공정에 의해 수득 가능하다. 바람직한 실시양태에 따르면, 화학식(I)의 반복 구조 단위체에서, 평균 두 개의 기 X는 기 -R1NCO를 나타내고 세 번째 기 X는 라디칼 -R1-NH-CO-OR2-(-OCO-NH-R1-NCO)n을 나타낸다. 그러므로 형성된 예비중합체는 결합의 최소 33%가 폴리우레탄 사슬인 것인 폴리우레탄 예비중합체이다. 발명자들은 또한 "본 복합 재료의 본질적인 특징은 실온에서 유체 상태를 유지하는 폴리올 및 폴리이소시아네이트의 부분 첨가에 의해 제조된 특정한 예비중합체의 사용을 포함하는 그의 제조 공정"이라고 말함으로써 이소시아누레이트 개질된 폴리우레탄을 명확하게 설명한다. EP 특허 번호 226,176 B1에는 경화된 조성물이나, 또는 본질적으로 이소시아누레이트로 구성된 강화 충전제를 함유하는 경화된 조성물이 교시되어 있지 않다.
US 특허 번호 9,334,379는 폴리이소시아네이트, 폴리올, 삼량체화 촉매 및 임의로 첨가제의 반응 수지 혼합물을 섬유에 함침시킴으로써 제조된 섬유-복합 성분 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 발명자들은 이소시아네이트 기의 개수 대 OH 기의 개수의 비가 1.6 내지 6.0, 특히 2.1 내지 3.5임을 교시한다. US 특허 번호 93343 79에는 또한 반응 혼합물이 에폭시 수지를 포함하지 않는 것이 바람직하다고 개시되어 있고, 실질적으로 이소시아네이트 그 자체의 반응 생성물, 즉 이소시아누레이트, 우레트디온, 카르보디이미드 및 개방 구조로 구성된 중합체가 교시되어 있지 않다.
U.S. 특허 출원 공개 번호 US2005/0038222A1에는 폴리이소시아네이트 및 우레탄 화학 물질을 기재로 하는 열경화성 수지는 활성화된 성분의 혼합물이며 잘-정의된 화학량론에 따른 둘 이상의 화학적 전구체, 예컨대 폴리이소시아네이트 및 폴리올의 정확한 조합을 필요로 하기 때문에 필라멘트 와인딩에 널리 사용되지 않는다고 개시되어 있다. 활성화된 성분을 혼합할 때의 문제는 반응을 제어하는 것이 어렵다는 점인데, 왜냐하면 촉매의 부재 하에 심지어 주위 온도에서도 접촉 시 반응이 일어날 수 있어서 반응 속도를 제어하기 어렵기 때문이다.
상기에 설명된 선행 기술 참조문헌에는 다양한 활성 수소 함유 분자를 반응시킴으로써 폴리이소시아누레이트를 함유하는 중합체의 물리적 특성을 개선하기 위한 다양한 노력이 개시되어 있지만, 이들 참조문헌 중 어느 것도, 이들 모이어티의 반응 생성물을 본질적으로 사용하지 않는 반응을 통해 제조되고, 오늘날의 중합체, 섬유 강화된 중합체 및 접착제에 필요한 높은 강도, 높은 강성도, 높은 파단 변형률, 높은 인성 및 높은 유리 전이 온도를 제공하는, 경화된 조성물을 제공하지 않는다.
요약
이소시아누레이트 중합체의 제조 방법에서는, 한 실시양태에서, 에폭시 수지가 약 10 중량% 미만으로 액체 방향족 폴리이소시아누레이트와 혼합된 것인 액체 방향족 폴리이소시아누레이트를 제공한다. 또 다른 실시양태에서, 약 10 중량% 미만의 에폭시드 수지를 제공한 후에, 액체 방향족 폴리이소시아누레이트를 촉매 조성물과 혼합한다. 방향족 폴리이소시아누레이트는 반응 혼합물을 형성하기 위한 2 초과의 평균 관능가를 갖는 방향족 폴리이소시아누레이트를 제공하는 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 포함한다. 한 실시양태에서, pMDI는 MDI와 더 높은 관능가의 pMDI의 블렌드를 포함한다. 혼합물을 약 70℃ 초과의 온도에서 경화시켜 두 개 이상의 이소시아네이트들의 반응 생성물을 포함하는 중합체 조성물을 제조한다. 또 다른 실시양태에서, 향상된 성능 결과를 제공하기 위해 혼합물을 주위 온도 및 압력에서 노화시킨다.
선행 기술 문헌에는, 높은 백분율의 pMDI 또는 다른 방향족 폴리이소시아누레이트를 사용하는 반응 혼합물은, 전형적으로 임의의 실제 용도에서 사용하기에는 너무 부서지기 쉬운, 성능이 떨어지는 중합체를 생성한다고 지적되어 있다. 본 발명의 화학적 조성물은 이러한 주장을 반증하고 다른 모든 폴리이소시아누레이트 혼합물을 능가하는 예상치 못한 성능 결과를 산출한다. 중요한 것은, 생성된 열경화성 중합체의 유리 전이 온도가, 이전에 폴리이소시아누레이트로는 달성할 수 없었던 수준으로서, 300℃를 훨씬 초과한다는 것이다.
놀랍게도, 수분을 함유하는 대기압 및 온도 환경에서 중합체를 노화시키면 유리 전이 온도 (Tg)가 크게 상승한 이소시아누레이트 중합체가 수득된다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 지방족 이소시아누레이트 (삼량체) 또는 우레트디온 (이량체)가 반응 혼합물에 존재하면, 더 완전한 경화가 달성되고 고강도 중합체를 획득하는 데 필요한 온도가 더 낮은 것으로 나타났다. 본 발명에서는 또한 중합체가 5분 미만 내에 경화될 수 있고 더 오랜 시간 동안 더 높은 온도에서 경화된 중합체와 동등한 기계적 특성을 갖는다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 다른 이점은 첨부된 도면과 관련하여 고려되는 하기 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되기 때문에 용이하게 인식될 것이다.
도 1은 실시예 10에 대해 열 경화 후 및 샘플을 주위 온도, 압력 및 습도에서 90일 동안 방치한 후의 DMA 측정값을 보여주고;
도 2는 실시예 21에 대해 실내환경 제어된 실험실에서 주위 온도 및 습도에서 60일 동안 노화 후의 DMA 측정값을 보여주고;
도 3은 실시예 12에 대해 열 경화 후 및 경화된 샘플을 40℃에서 100% 습도를 갖는 환경에 72시간 동안 노출시킨 후의 DMA 측정값을 보여주고;
도 4는 실시예 9에 대해 열 경화 후 및 경화된 샘플을 대기압에서 80℃에서 24시간 동안 물에 침지시킨 후의 DMA 측정값을 보여주고;
도 5는 실시예 24에 대해 실내환경 제어된 실험실에서 주위 온도 및 습도에서 65일 동안 노화 후의 탄소 섬유 복합재의 DMA 측정값을 보여준다.
본 발명에서는 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 포함하는 액체 반응 혼합물을 중합시키면, 높은 강도, 유리 전이, 영률 및 인성을 갖는 경화된 조성물이 생성되며 상기 반응 혼합물은 경화 동안에 옥사졸리돈, 아미드, 우레탄 및 우레아와 같은 사슬 연장제를 생성하는 화학 물질을 실질적으로 포함하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 본원에서 하기에 자세히 설명되는 바와 같이, 적절한 촉매를 선택하면, 추가로, 본 발명의 경화된 조성물을 120℃에서 5분 미만 내 및 140℃ 초과에서 2.5분 미만 내에 수득할 수 있어서, 이전에는 달성 불가능했던 결과를 제공할 수 있다. 본 발명에서 조밀한 중합체는, 10% 미만 및 심지어 2% 미만의 공극 함량을 갖는, 공극을 실질적으로 포함하지 않는 중합체이다. 본 발명은 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 및 촉매량의 에폭시를 함유하고 활성 수소 모이어티를 함유하는 분자, 예컨대 히드록실, 1급 및 2급 아민, 카르복실산, 티올 및 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다른 것들을 실질적으로 포함하지 않는 반응 혼합물의 중합을 통해 높은 인성 (0.5 MPa·m1/2 초과), 높은 파단 변형률 (3% 초과), 높은 유리 전이 온도 (160℃ 초과), 높은 인장 강도 (60 MPa 초과)를 달성한다. 본 발명은, 예상과는 상반되게, 두 개 또는 세 개의 지방족 이소시아네이트의 반응 생성물인 지방족 우레트디온, 지방족 삼량체 또는 지방족 이미노옥사디아진디온의 존재로 인해 중합 반응이 가속화되어 더 낮은 경화 온도에서 더 우수한 이소시아네이트 전환 및 개선된 기계적 강도를 얻을 수 있음을 추가로 보여준다.
본 발명은 이소시아네이트 기의 중합을 통해 경화된 중합체 조성물을 제조하는 방법을 제공하며, 한 실시양태에서, 방법은 하기 단계들을 포함한다:
(1) A) 적어도 하나의 액체 방향족 폴리이소시아네이트; 및
B) 임의로 적어도 하나의 액체 지방족 폴리이소시아네이트
C) 촉매 조성물
을 포함하는 액체 반응 혼합물을 제공하는 단계,
여기서 상기 적어도 하나의 방향족 폴리이소시아네이트는 적어도 하나의 방향족 폴리이소시아네이트가 2 초과, 특히 적어도 2.2, 또는 적어도 2.5, 및 심지어 2.65 초과의 관능가를 갖게 하는 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 포함한다. 추가로, 반응 조성물은 일관능성 또는 다관능성일 수 있는 적어도 하나의 에폭시드를 총 반응 혼합물에 대해 최대 7.5 중량%, 특히 0.01% - 5%, 또 다른 실시양태에서 0.5% - 4% 및 또 다른 실시양태에서 1.0% - 3% 및 추가의 실시양태에서 2%의 비율로 포함한다.
(2) 이소시아네이트 기의 자체-반응을 통해 반응 혼합물을 경화시켜 이소시아네이트 그 자체의 반응 생성물의 구조를 포함하는 경화된 중합체 조성물을 수득하는 단계.
추가의 측면에서, 본 발명은 경화된 조성물의 기계적 특성을 개선하기 위한 충전제를 함유하는 경화된 조성물에 관한 것이며, 여기서 상기 충전제는 한 실시양태에서 연속 섬유이거나 또 다른 실시양태에서 불연속 섬유이다.
본원에서 사용된 바와 같은 "적어도 하나"는 1 이상, 예를 들어 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 이상을 의미한다. 본원에 설명된 촉매 조성물의 성분과 관련하여, 이러한 정보는 분자의 절대적인 양이 아니라 성분의 유형을 의미한다. 그러므로 예를 들어 "적어도 하나의 에폭시 수지"는 하나 이상의 상이한 에폭시 수지, 즉 하나 이상의 상이한 유형의 에폭시 수지를 의미한다. 수량이 함께 기재되어 있는 경우에, 수량은, 이미 정의된 바와 같이, 상응하게 규명된 유형의 성분의 총량을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은 "액체"는 실온 (20℃) 및 정상압 (1,013 mbar)에서 유동성인 조성물을 뜻한다.
화학적 모이어티가 언급되는 경우에, "실질적으로 포함하지 않음"은, 반응 혼합물 또는 경화된 조성물에 포함된, 특정한 모이어티를 함유하는 분자의 몰 분율이 7.5% 미만임을 의미한다. 일부 경우에 "실질적으로 포함하지 않음"은, 반응 혼합물 또는 경화된 조성물에 포함된, 특정한 모이어티를 함유하는 분자의 몰 분율이 5% 미만임을 의미한다. 반대로, "실질적으로" 및 "본질적으로"는 특정한 모이어티를 함유하는 분자의 몰 분율이 반응 혼합물 또는 경화된 조성물의 92.5% 초과임을 의미한다. 일부 경우에 "실질적으로" 및 "본질적으로"는 특정한 모이어티를 함유하는 분자의 몰 분율이 반응 혼합물 또는 경화된 조성물의 95% 초과임을 의미한다.
본원에 설명된 액체 조성물의 점도는 특히, 조성물로 하여금 펌핑 가능하게 하고 예를 들어 섬유-강화된 플라스틱 부품에 사용되는 섬유 재료와 같은 섬유 재료를 습윤 및 함침시킬 수 있게 할 만큼 충분히 낮다. 다양한 실시양태에서, 반응 혼합물은 실온에서 2,500 mPa·S 미만 및 50℃의 온도에서 150 mPa·s 미만의 점도를 갖는다. 점도를 결정하기 위해, 수지 혼합물을 실온에서 적합한 혼합기를 사용하여 제조하며, 점도를 스핀들 유형 레오미터에서 결정한다.
본 발명은 본질적으로 폴리이소시아네이트로 구성된 반응 혼합물을 경화시킴으로써 높은 강도, 높은 파괴 인성 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 경화된 조성물을 제공하며, 여기서 상기 폴리이소시아네이트 중 적어도 하나는 반응 혼합물이 2 초과, 특히 적어도 2.2, 또 다른 실시양태에서 적어도 2.5, 그 밖의 추가의 실시양태에서 2.7 초과의 관능가를 갖게 하는 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)이다. 적어도 하나의 에폭시를 포함하는 삼량체화 촉매를 사용하여 반응 혼합물을 경화시키면, 경질 중합체가 수득되며, 이러한 본질적으로 이소시아누레이트로 구성된 중합체는 높은 인장 강도 (50 MPa 초과), 높은 인성 (0.5 MPa·m1/2 초과), 높은 파단 변형률 (3% 초과) 및 높은 유리 전이 온도 (160℃ 초과)를 나타낸다. 본질적으로 폴리이소시아누레이트로 구성된, 경화된 조성물은, 2 초과, 특히 적어도 2.2, 더 바람직하게는 적어도 2.5, 더욱 더 바람직하게는 2.65 초과의 이소시아네이트 관능가를 달성하기 위해 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 반응 혼합물의 일부분으로서 사용하지 않고서 제조되면, 부족한 파괴 인성 및 강도를 갖게 된다. 에폭시는 중합체의 파괴 인성을 개선하는 것으로 선행 기술에 공지되어 있지만, 본 발명은 에폭시를 촉매량으로 포함하며, 그러므로 에폭시는 재료 특성에 큰 영향을 미치지 않는다.
본 출원의 의미에서 올리고머성 MDI는 적어도 3개의 방향족 핵 및 적어도 3의 관능가를 갖는 MDI의 고-핵 동족체의 폴리이소시아네이트 혼합물을 의미한다. 용어 "중합체성 디페닐메탄 디이소시아네이트", "중합체성 MDI", "올리고머 MDI "또는 pMDI는 본 발명의 맥락에서 올리고머성 MDI와 임의로 단량체성 MDI의 혼합물을 지칭하는 데 사용된다. 전형적으로, 중합체성 MDI의 단량체 함량은 평균 관능가가 약 2.1을 초과하도록 pMDI의 총질량을 기준으로 25 내지 85 wt%의 범위이다.
pMDI 외에도, 단계 1)에서의 이소시아네이트 혼합물은 단량체성 또는 올리고머성 이소시아네이트 또는 예비중합체 이소시아네이트를 함유할 수 있다. 단량체성 이소시아네이트는 폴리우레탄 화학에 공지되어 있는 통상적인 지방족, 시클로지방족 및 지방족 디- 및/또는 폴리이소시아네이트 및 특히 방향족 이소시아네이트를 포함한다. 방향족 이소시아네이트, 특히 MDI의 이성질체 계열 (단량체성 MDI) 및 TDI가 특히 유익하다.
본원에 개시된 실시양태에서 유용한 이소시아네이트는 이소시아네이트, 폴리이소시아네이트, 이소시아네이트 카르보디이미드, 우레트디온 및 이러한 이소시아네이트로 구성된 삼량체를 포함할 수 있다. 적합한 폴리이소시아네이트는 임의의 공지된 방향족, 지방족, 지환족, 시클로지방족 및 아르지방족 디- 및/또는 폴리이소시아네이트를 포함한다. 이들 이소시아네이트를 포함하는 것은, 이소시아네이트들 사이의 반응을 통해 생성되는 것들 중에서도, 우레트디온, 이소시아누레이트, 카르보디이미드, 이미노옥사디아진디온과 같은 변이체이다.
적합한 방향족 디이소시아네이트 화합물은 예를 들어 크실릴렌 디이소시아네이트, 메타크실릴렌 디이소시아네이트, 테트라메틸크실릴렌 디이소시아네이트, 톨릴렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 1,4-나프탈렌 디이소시아네이트, 4,4'-톨루이딘 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐 에테르 디이소시아네이트, m- 또는 p-페닐렌 디이소시아네이트, 4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 비스 (4-이소시아네이토페닐)-설폰, 이소프로필리덴비스(4-페닐이소시아네이트) 등을 포함할 수 있다. 분자당 세 개 이상의 이소시아네이트 기를 갖는 폴리이소시아네이트는, 예를 들어, 트리페닐메탄-4,4',4"-트리이소시아네이트, 1,3,5-트리이소시아네이토-벤젠, 2,4,6-트리이소시아네이토톨루엔, 4,4'-디메틸디페닐메탄-2,2',5,5'-테트라이소시아네이트 등을 포함할 수 있다. 지방족 폴리이소시아네이트는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,4-디이소시아네이토부탄, 1,8-디이소시아네이토옥탄, m-크실릴렌 디이소시아네이트, p-크실릴렌 디이소시아네이트 트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이량체성 산 디이소시아네이트, 리신 디이소시아네이트 등, 및 이들 폴리이소시아네이트의 우레트디온-유형 부가물, 카르보디이미드 부가물 및 이소시아누레이트 환 부가물을 포함할 수 있다. 지환족 디이소시아네이트는 이소포론 디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실이소시아네이트), 메틸시클로헥산-2,4- 또는 -2,6-디이소시아네이트, 1,3- 또는 1,4-디(이소시아네이토메틸)시클로헥산, 1,4-시클로헥산 디이소시아네이트, 1,3-시클로펜탄 디이소시아네이트, 1,2-시클로헥산 디이소시아네이트 등, 및 이들 폴리이소시아네이트의 우레트디온-유형 부가물, 카르보디이미드 부가물 및 이소시아누레이트 환 부가물을 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시양태에서, 반응 혼합물은 15-85% 중합체성 MDI, 15-85% 디페닐메탄 디이소시아네이트 이성질체 및 동족체를 포함한다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 반응 혼합물은 15-85% 중합체성 MDI, 25-65% 디페닐메탄 디이소시아네이트 이성질체 및 동족체 및 2-20% 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 우레트디온을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 반응 혼합물은 15-85% 중합체성 MDI, 25-65% 디페닐메탄 디이소시아네이트 이성질체 및 동족체 및 2-20% 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 삼량체를 포함한다.
놀랍게도, 반응 혼합물이 지방족 우레트디온, 지방족 이소시아누레이트 또는 지방족 이미노옥사디아진디온을 함유하는 경우에, 본 발명의 단계 2)에서 형성된 경화된 조성물은 더 우수한 이소시아네이트 전환을 달성하여, 경화된 조성물은 이러한 화합물이 부재하는 경우에서보다 더 낮은 반응 온도에서 우수한 기계적 특성을 수득할 수 있다. 이러한 결과는 예상치 못한 것인데, 왜냐하면 지방족 이소시아네이트는 방향족 이소시아네이트보다 더 느리게 반응하는 것으로 공지되어 있음에도 불구하고 단계 1)의 반응 혼합물의 반응성이 향상되었기 때문이다. 우레트디온, 이소시아누레이트, 카르보디이미드 및 이미노옥사디아진디온은 하기에 나와 있는 바와 같이 2 또는 3개의 이소시아네이트들의 반응 생성물이며, 여기서 x, x' 및 x"는, 동일하거나 상이한, 말단 이소시아네이트 기와의 지방족 결합일 수 있다.
Figure 112021077605417-pct00002
물론, 임의의 상기-열거된 이소시아네이트들의 혼합물도 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 반응 혼합물을 포함하여, 폴리이소시아누레이트를 제조하는 데 필요한 화합물들을 접촉시키거나 조합하는 많은 상이한 순서들이 존재한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면 화합물들의 첨가 순서를 섞거나 변경하는 것이 본 발명의 범위 내에 있음을 알 것이다.
촉매 조성물
반응 혼합물은 중합체의 삼량체화를 유도하는 촉매 조성물을 통해 경화된다. 삼량체화 촉매는 아민 촉매, 예컨대 N,N-디메틸벤질아민 (BDMA), 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP), 2-디메틸아미노피리딘 (2-DMAP), 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄 (DABCO), 비스(2-디메틸아미노에틸)에테르 (BDMAEE), 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔 (DBU), 1,5-디아자비시클로[4.3.0]논-5-엔 (DBN), N-알킬모르폴린, N-알킬알칸올아민, 트리스(디메틸아미노프로필) 헥사히드로트리아진, N,N-디알킬시클로헥실아민, 및 알킬기가 메틸, 에틸, 프로필, 부틸 및 그의 이성질체 형태인 것인 알킬아민, 및 헤테로시클릭 아민을 포함할 수 있다. 아민 촉매는 또한 4급 암모늄 히드록시드 및 4급 암모늄 염, 예컨대 벤질 트리메틸 암모늄 히드록시드, 벤질 트리메틸 암모늄 클로라이드, 벤질 트리메틸 암모늄 메톡시드 (2-히드록시프로필)트리메틸암모늄 2-에틸헥사노에이트, (2-히드록시프로필)트리메틸암모늄포르메이트 등을 포함한다. 적합한 용매, 예컨대 벤젠, 벤조니트릴, 테트라히드로푸란, 니트로벤젠, 또는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 적합한 용매에 용해된, 한 실시양태에서 BDMA, 및 또 다른 실시양태에서 BDMAEE, 및 또 다른 실시양태에서 DABCO가 촉매 조성물에 0.001 내지 10 wt%, 더 바람직하게는 0.1 내지 3 wt%의 중량으로 사용된다. 또 다른 실시양태에서, 촉매는 DABCO를 위한 용매로서 사용될 수 있고, 적합한 촉매 용매는 BDMA, 이미다졸, 유기금속성 화합물 또는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이 DABCO를 용매화할 수 있는 다른 촉매를 포함하며, 촉매 조성물에 0.001 및 10 wt%, 더 바람직하게는 0.1 내지 3 wt%의 중량으로 사용된다.
비-아민 촉매가 또한 사용될 수 있다. 비스무트, 납, 주석, 칼륨, 리튬, 나트륨, 티타늄, 철, 안티모니, 우라늄, 카드뮴, 코발트, 토륨, 알루미늄, 수은, 아연, 니켈, 세륨, 몰리브데넘, 바나듐, 구리, 망가니즈 및 지르코늄의 유기금속성 화합물이 사용될 수 있다. 예시적인 예는 아세트산칼륨, 포타슘 나프톨레이트, 옥토산칼륨, 2-에틸헥산산칼륨, 질산비스무트, 2-에틸헥산산납, 벤조산납, 염화제이철, 삼염화안티모니, 아세트산제1주석, 옥토산제1주석 및 2-에틸헥산산제1주석을 포함한다.
다른 실시양태에서, 적합한 촉매는 분자당 하나의 이미다졸 환을 갖는 화합물을 포함하는 이미다졸 화합물, 예컨대 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 2-이소프로필이미다졸, 2-페닐-4-벤질이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-이소프로필이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(l)']-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-에틸-4-메틸이미다졸릴-(l)']-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-운데실이미다졸릴-(1)']-에틸-s-트리아진, 2-메틸이미다졸륨-이소시아누르산 부가물, 2-페닐이미다졸륨-이소시아누르산 부가물, 1-아미노에틸-2-메틸이미다졸, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4-벤질-5-히드록시메틸이미다졸 등; 및 상기-언급된 히드록시메틸-함유 이미다졸 화합물을 탈수시킴으로써 수득된, 분자당 2개 이상의 이미다졸 환을 함유하는 화합물, 예컨대 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸 및 2-페닐-4-벤질-5-히드록시메틸이미다졸; 및 디포름알데히드 반응에 의해 이들을 축합시킨 것, 예를 들어, 4,4'-메틸렌-비스-(2-에틸-5-메틸이미다졸) 등을 포함할 수 있다.
임의로, U.S. 특허 번호 9,334,379에 설명된 것들과 같은 잠재 촉매가 경화 반응을 지연시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 잠재 촉매는 통상의 기술자에게 공지되어 있으며 프리프레그(prepreg), 시트 성형 화합물 (SMC) 및 벌크 성형 화합물 (BMC)의 제조에 일반적으로 사용된다. 선행 기술에 개시되지 않은 한 실시양태에서, 2-(디메틸아미노)피리딘은 잠재 촉매로서의 역할을 한다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 촉매는 적어도 하나의 에폭시 수지의 공-촉매를 포함한다. 에폭시 수지의 공-촉매 거동은 U.S. 특허 번호 2,979,485에 보고되어 있다. 에폭시 수지는 에폭시드 기-함유 단량체, 예비중합체 및 중합체 및 그의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이하에서 에폭시드 또는 에폭시드 기-함유 수지라고도 지칭된다. 적합한 에폭시드 기-함유 수지는 특히 분자당 1 내지 10개, 대안적으로 1 내지 2개, 대안적으로 1개의 에폭시드 기를 포함하는 수지이다. 본원에 사용된 바와 같은 "에폭시드 기"는 1,2-에폭시드 기 (옥시란)를 의미한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 에폭시드는 반응 혼합물의 0.1 내지 10 wt%, 대안적으로 0.5 내지 3 wt%의 중량으로 반응 혼합물에 첨가된다. 에폭시는 공-촉매로서의 역할을 하지만, 삼량체화 촉매와 별도로 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 한 실시양태에서, 에폭시는 본질적으로 이소시아누레이트로 구성된 반응 혼합물과 혼합되어, 미래에 촉매처리될 수 있는 저장 안정성 혼합물을 형성한다.
반응 혼합물을 촉매 조성물과 혼합하고 삼량체화를 통해 경화시켜, 본질적으로 폴리이소시아누레이트로 구성되고 500 kg/m3 이상, 바람직하게는 1000 kg/m3 이상의 밀도를 갖는 경화된 조성물을 형성한다. 경화 반응을 우선적으로 50 - 200℃, 또는 대안적으로 75 - 170℃, 또는 추가로 80 - 150℃의 승온에서 수행한다. 본 발명의 한 실시양태에서, 반응 혼합물을 촉매 조성물과 혼합하고 경화시켜, 이미드를 포함하는 둘 이상의 이소시아네이트들 사이의 반응 생성물로 본질적으로 구성된 경화된 조성물을 형성한다.
이소시아누레이트의 삼량체화는 특히 용매가 부재하는 경우에 느린 공정인 것으로 공지되어 있지만, 본 발명은 놀랍도록 빠르게 경화될 수 있다. 본 발명은 반응 혼합물이 120℃에서 5분 미만 내 또는 140℃를 초과하는 온도에서 2.5분 미만 내에 경화될 수 있으면서도 더 오랜 기간 동안 경화된 것들 (실시예 11을 참조)에 필적할 만한 기계적 특성 (실시예 17-23을 참조)을 달성할 수 있음을 보여 주었다. 10분 미만 내의 중합을 필요로 하는 자동차 산업과 같은 대량 산업에서의 제조에는 빠르게 경화되는 중합체가 필요하다. 예상치 못하게 빠른 경화는 높은 강도, 강성도 및 인성을 추가로 달성한다. 본 발명의 한 실시양태에서 반응 혼합물은 2분 미만 내에 경화될 수 있고, 또 다른 반응 혼합물은 90초 이하 내에 경화될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서 반응 혼합물은 60초 미만 내에 경화될 수 있다. 반응 속도는 촉매 농도에 의해 제어되며, 삼량체화 촉매와 반응하여 복합체를 형성하는 공-촉매로서 포함된 에폭시 또는 에폭시드의 존재에 의해 크게 가속화된다. 에폭시 대 삼량체화 촉매의 비가 증가할수록 중합 속도가 증가한다. 놀랍게도, 본 발명에 따른 반응성 혼합물은 온도가 70℃ 이상으로 상승하기 전까지는 상당한 시간 동안 안정한 상태를 유지하며 상기 온도에 도달한 후에는 경화가 매우 빠르게 진행되는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 반응은 다른 빠르게 경화되는 수지 (예를 들어, 비닐 에스테르, 에폭시, 폴리에스테르 등)에 비해 덜 발열하므로 두꺼운 재료를 가공할 수 있게 한다.
예상치 못하게, 경화된 조성물은, 시간이 경과함에 따라, 임의로 샘플 주변의 습도 또는 수분의 존재 하에 계속 경화되어, 250℃ 초과, 또는 300℃ 초과 또는 325℃ 초과 또는 340℃ 초과의 유리 전이 온도를 수득할 수 있다. 이러한 최종 경화 반응의 속도는 경화된 조성물 주변 환경의 온도 및 습도에 의해 좌우된다. 경화된 조성물이 실내환경 제어된 건물 내의 전형적인 습도 수준, 예를 들어, 22℃에서 20 내지 70%의 상대 습도에 노출되면, 최종 반응은 2 내지 12주 또는 대안적으로 4 내지 8주 내에 완료될 것이다. 도 1은 실시예 10에 대해 90일 노화 후에 동적 기계적 분석 (DMA)을 통해 측정된 저장 탄성률 및 tan δ를 보여주며 이는 크게 개선된 유리 전이 온도를 보여준다. 도 2는 실시예 21에 대해 주위 환경에서 60일 노화 후에 동적 기계적 분석 (DMA)을 통해 측정된 저장 탄성률 및 tan δ를 보여주며, 이는 경화 후 195.5℃로부터 주위 대기 조건 하에 60일 동안 방치 후 354.2℃로 상승한, 크게 개선된 유리 전이 온도를 보여준다. 도 2는 5분 미만 내에 경화된 샘플이 더 오랜 시간 동안 경화된 샘플의 Tg 상승과 동일한 예상치 못한 Tg 상승을 나타냄을 보여준다. 그러나, 도 3의 DMA 측정값에서 볼 수 있듯이, 40℃ 및 대기압에서 100%의 상대 습도에서 반응은 24 내지 72시간 또는 대안적으로 24시간 내에 완료된다. 노화 반응 조건은 다양하며, 습도 및 온도 수준이 높을수록 더 빠른 경화가 가능하다. 도 1을 참조하자면, 본원에서 하기에 자세히 설명되는 바와 같이, 실시예 10에 대한 DMA 측정은 열 경화 후 및 샘플을 주위 온도, 압력 및 습도에 90일 동안 방치한 후에 수행되었다. 유리 전이 온도 (Tg)는 노화 기간 후에 196℃로부터 356℃로 상승한다. 이러한 결과는 선행 기술의 교시내용에 기반해서는 전혀 예상치 못한 것이다. 더욱이, 도 3을 참조하자면, 본원에서 하기에 자세히 설명되는 바와 같이, 실시예 12에 대한 DMA 측정은 열 경화 후 및 경화된 샘플을 40℃에서 100% 습도 환경에 72시간 동안 노출시킨 후에 수행되었다. 유리 전이 온도 (Tg)는 185℃로부터 345℃로 상승하는데, 이는 또 다른 예상치 못한 결과이다.
부가적인 실시양태에서, 경화된 조성물을 물에 침지시켜 반응을 완료하여 250℃ 초과 또는 300℃ 초과 또는 325℃ 초과 또는 340℃ 초과의 유리 전이 온도를 수득할 수 있다. 반응 속도는 물의 온도 및 압력에 의해 결정되는 것으로 생각된다. 예를 들어, 샘플을 80℃에 침지시키면 샘플은 48시간 미만 또는 24시간 미만 내에 완전히 경화된다. 실시예 9에 대해, 열 경화 후 및 열 경화된 중합체를 대기압에서 80℃에서 24시간 동안 물에 침지시킨 후에 동적 기계적 분석기 (DMA)에 의해 측정된 열-기계적 특성이 도 4에 나와 있다. 유리 전이 온도 (Tg)는 Tanδ 곡선의 피크로부터 측정되며 Tg는 물에의 침지 후에 240℃로부터 374℃로 상승한 것으로 나타났다. 대부분의 중합체는 수분 흡수 후에 유리 전이 온도의 저하를 경험하지만, 본 발명은 유리 전이 온도의 극적인 개선을 보여준다. 도 4를 참조하자면, 본원에서 하기에 자세히 설명되는 바와 같이, 실시예 9에 대한 DMA 측정은 열 경화 후 및 경화된 샘플을 대기압에서 80℃에서 24시간 동안 물에 침지시킨 후에 수행되었다. 유리 전이 온도 (Tg)는 물에의 침지 후에 240℃로부터 374℃로 상승한다.
본 발명의 한 실시양태에서, 반응 혼합물을 연속 또는 불연속 강화 섬유와 블렌딩하고 삼량체화 촉매 조성물을 사용하여 경화시켜 섬유-강화된 성형 부품을 형성한다. 이러한 성형 부품은 자동차, 풍력 터빈, 스포츠 용품, 항공 우주 구조물, 압력 용기, 건축 재료 및 인쇄 회로 기판의 제작에 유용하다. 그러나, 섬유-강화된 플라스틱 성형 부품의 최종 용도는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같은 다른 응용분야에도 적용될 수 있다.
섬유 강화된 경화된 조성물을 위한 섬유 성분으로서 적합한 공지된 고강도 섬유 재료는 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유; 합성 섬유, 예컨대 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리옥사졸 섬유, 폴리히드로퀴논-디이미다조피리딘 섬유 또는 아라미드 섬유; 붕소 섬유; 산화 또는 비-산화 세라믹 섬유, 예컨대 산화알루미늄/이산화규소 섬유, 탄화규소 섬유; 금속 섬유, 예를 들어 강철 또는 알루미늄으로 제조된 것들; 단방향 섬유유리, 직조 섬유유리, 비권축 섬유유리, 부직조 섬유유리, 단방향 탄소 섬유, 직조 탄소 섬유, 비권축 탄소 섬유, 부직조 탄소 섬유, 단방향 현무암 섬유, 직조 현무암 섬유, 비권축 현무암 섬유, 부직조 현무암 섬유, 및 등가물 중 적어도 하나; 또는 천연 섬유, 예컨대 아마, 대마 또는 황마를 포함한다. 이들 섬유는 매트, 직물, 편직물, 레이드 스크림, 부직포 또는 로빙의 형태로 도입될 수 있다. 이들 섬유 재료 중 둘 이상을 혼합물 형태로 사용하는 것이 또한 가능하다. 이러한 고강도 섬유, 레이드 스크림, 직물 및 로빙은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
특히, 섬유 복합재는, 특히 우수한 기계적 특성을 달성하기 위해, 섬유를 총 섬유 복합재를 기준으로 25 vol.% 초과, 대안적으로 50 vol.%, 대안적으로 50 내지 70 vol.%의 부피 퍼센트로 포함해야 한다.
반응 혼합물을 공지된 방법, 예를 들어 수지 이송 성형 (RTM), 진공 보조 수지 이송 성형 (VARTM), 사출 성형, 고압 반응 사출 성형 (HP-RIM), 습식 적층(wet layup), 인발 성형 또는 프리프레그 기술을 통해 강화 섬유와 블렌딩할 수 있다. 본 발명은 실온 액체이기 때문에 주입에 특히 적합하다.
본 발명의 다양한 실시양태에서, 요망되는 용도에 따라, 반응 혼합물을, 예를 들어 접착제로서 사용하는 경우에는 기재에 도포하거나, 플라스틱 부품을 제조하기 위한 성형 화합물로서 사용하는 경우에는 성형 도구에 부하한다. 한 실시양태에서, 방법은 수지 이송 성형 (RTM) 방법이고, 반응 혼합물은 반응성 사출 수지이다. 본 맥락에서 사용된 바와 같은 "반응성"은 사출 수지가 화학적으로 가교결합될 수 있다는 사실을 의미한다. RTM 방법에서, 반응 혼합물을 제공하는 것, 즉 설명된 방법의 단계 (1)은 사출 수지를 성형 도구에 부하, 특히 사출하는 것을 포함할 수 있다. 설명된 방법 및 반응 혼합물을 적용하기에 특히 적합한, 섬유-강화된 플라스틱 부품을 제조하는 경우에는, 사출 전에 섬유 또는 섬유 반제품 (예비직물/예비성형물)을 성형 도구에 넣을 수 있다. 사용된 섬유 및/또는 섬유 반제품은 선행 기술에서 이러한 응용분야를 위해 공지된 재료, 특히 탄소 섬유일 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에서, 반응 혼합물을 수지 이송 성형을 통해 연속 또는 불연속 섬유를 함유하는 성형틀에 사출하고 5분 미만 내에 경화시킨다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 반응 혼합물을 수지 이송 성형을 통해 연속 또는 불연속 섬유를 함유하는 성형틀에 사출하고 2분 미만 내에 경화시킨다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 반응 혼합물을 수지 이송 성형을 통해 연속 또는 불연속 섬유를 함유하는 성형틀에 사출하고 1분 미만 내에 경화시킨다.
본 발명의 한 실시양태에서, 반응 혼합물을 수지 이송 성형을 통해 연속 또는 불연속 섬유를 함유하는 풍력 터빈 블레이드 성형틀에 사출하고 95℃ 미만의 온도에서 경화시킨다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 반응 혼합물을 직접 사출을 통해 연속 섬유에 도포하거나, 수지욕에 넣고, 가열된 다이를 통해 인발 성형한다. 촉매를 이들 실시양태 중 하나에서 처리 직전에 반응 혼합물에 블렌딩한다. 또한, 본 발명의 조성물은 5분 미만 또는 또 다른 실시양태에서 2분 미만일 수 있는 빠른 경화로 인해 인발 성형에 특히 매우 적합하다는 것을 이해해야 한다.
경화된 조성물과 마찬가지로, 경화된 조성물을 사용하여 제조된 섬유 강화된 복합재는 또한 주위 노화되면 상승된 Tg를 나타낸다. 도 5는 실시예 24에 대해 65일 노화 후에 동적 기계적 분석 (DMA)을 통해 측정된 저장 탄성률 및 tanδ를 보여주며, 이는 이전에는 달성 불가능하다고 생각했던 수준인, 209.3℃로부터 335.1℃로 상승된, 크게 개선된 유리 전이 온도를 보여준다.
본 발명의 한 실시양태에서, 반응 혼합물은 접착제로서 사용되기에 충분한 접착 특성을 갖는다. 반응 혼합물을 접착제용으로 공지된 충전제, 예를 들어 흄드 실리카; 유리 구슬; 세라믹 입자; 나노와이어; 나노막대; 나노입자; 탄소 나노튜브 (CNT); 합성 입자, 예컨대 고무, 엘라스토머 또는 열가소성 플라스틱과 블렌딩할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 또 다른 실시양태에서, 경화된 조성물은 난연성이다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 경화된 조성물은 불연성이다.
본 발명은, 높은 경화 온도 또는 값비싼 화학 화합물을 사용하지 않고서도, 탁월한 기계적 특성을 갖는, 본질적으로 이소시아누레이트 가교결합으로 구성된 경화된 조성물을 달성한다. 본 발명에서는 매우 높은 유리 전이 온도를 갖는 중합체가 추가로 수득된다. 더욱이, 일반적으로 예상할 때 지방족 성분이 존재하면 반응성이 저감될 것으로 생각되지만, 본 발명은 반응 혼합물에 지방족 우레트디온, 지방족 삼량체 또는 지방족 이미노옥사디아진디온이 존재하면 삼량체화 반응이 가속화되어 더 우수한 이소시아네이트 전환이 초래됨을 보여준다. 본 발명은 중합체가 대량 제조와 양립할 수 있도록 중합 반응이 수분 내에 완료될 수 있음을 추가로 보여준다.
실시예
폴리이소시아누레이트 중합체를 하기 방법을 통해 제조하였다. 단량체 MDI로서 코베스트로(Covestro)로부터의 상품명 몬두어(MONDOUR) MLQ 및 바스프(BASF)로부터의 루프라네이트(LUPRANATE) MI 하의 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (MDI) 이성질체의 액체 블렌드가 사용되었고, 여기서 상기 블렌드는 본질적으로 4,4'-MDI와 2,4'-MDI의 50/50 블렌드를 포함한다. 바스프로부터의 상품명 루프라네이트 M20 하의 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)는 재료 MSDS에 따르면 55% 미만의 올리고머성 MDI 및 38%의 단량체성 4-4 디페닐메탄 디이소시아네이트 및 10% 미만의 MDI 이성질체로 이루어지고 2.7의 평균 이소시아네이트 관능가를 갖는다. 상품명 몬두어 MR 라이트(MONDUR MR Light) 하의 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)는 코베스트로에서 구입되었고, 이는 재료 MSDS에 따르면 58%의 올리고머성 MDI 및 38%의 단량체성 4-4 디페닐메탄 디이소시아네이트 및 3.8%의 2,4'-MDI 및 0.2%의 2,2'-MDI로 이루어지고 2.8의 평균 이소시아네이트 관능가를 갖는다. HDI 우레트디온은 코베스트로로부터 상품명 데스모두어(DESMODUR) N3400 하에 입수되었고 HDI 삼량체는 완화(Wanhua)로부터 상품명 와네이트(Wannate) HT-100 하에 입수되었다. 공업용 톨루엔 디이소시아네이트 (80% 톨릴렌-2,4-디이소시아네이트)는 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)로부터 순도 80%로 구입되었고, 모든 화학 물질은 입수된 그대로 사용되었다. 헥시온(Hexion)에 의해 상품명 에폰(EPON)™ 828 하에 판매되는 희석되지 않은 이관능성 비스페놀 A/에피클로로히드린 유도된 액체 에폭시 수지 및 헥시온으로부터 상품명 에폰™ 862로서 판매되는 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르뿐만 아니라 TCI 아메리카(TCI America)로부터 입수된 99% 초과의 순도를 갖는 일관능성 반응성 희석제 글리시딜 페닐 에테르 (GPE) 및 에보닉(Evonik)으로부터 상품명 에포딜(Epodil) 742 하에 입수된 크레실 글리시딜 에테르(CGE). N-벤질디메틸아민 (BDMA)은 알파 아에사르(Alfa Aesar)로부터 98% 초과의 순도로 입수되었고, 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄 (DABCO)은 TCI 케미칼즈(TCI Chemicals)로부터 98% 초과의 순도로 입수되었고, 비스-(2-디메틸아미노에틸)에테르 (BDMAEE)는 헌츠만 인터네셔날(Huntsman International)로부터 상품명 ZF-20 하에 입수되었고, 옥토산제1주석은 시그마 알드리치로부터 92.5-100.0% 순도로 입수되었다. 임의의 이들 시약을 위해 특별한 저장 또는 취급 절차를 사용하지 않았으며 임의의 추가의 정제 공정도 사용하지 않았다.
순수 수지 샘플 제조: 선택된 배합비를 위해 선택된 이소시아네이트를 와류 혼합기를 사용하여 혼합하고 촉매적 에폭시를 용액에 첨가하였다. 혼합물을 피셔(Fisher) 와류 혼합기를 사용하여 1분 동안 추가로 블렌딩하였다. 이어서 촉매를 요망되는 농도로 혼합물에 첨가하고 1분 동안 와류 혼합기를 사용하여 블렌딩하였다. 후속적으로 용액을 원심분리를 사용하여 5,000 rpm에서 2분 동안 원심분리하여 혼합 동안에 도입된 공기를 제거하였다. 샘플을 탈기하는 다른 일반적인 방법을 또한 사용할 수 있다 (즉, 진공 압력, 초음파 처리). 이어서 엘스워드 어드헤시브즈(Ellsworth Adhesives)에 의해 공급된 자이아미터(XIAMETER)® RTV-4230-E 실리콘 고무 키트를 사용하여 제조된 실리콘 고무 성형틀에 상기 용액을 조심스럽게 첨가하였다. 반응 혼합물을 보유하는 성형틀을 오토클레이브에 넣고 100 psig로 가압하고, 이어서 요망되는 온도로 가열하고, 이러한 온도에서 명시된 시간 동안 유지한 후에 실온으로 냉각시켰다. 경화된 샘플을 오토클레이브 온도가 80℃ 미만으로 떨어질 때까지 압력 하에서 냉각시키고 경화된 중합체를 오토클레이브로부터 꺼냈다. 실리콘 성형틀을 가열한 후에, 촉매처리된 반응 혼합물을 첨가하고, 이어서 오토클레이브에 넣고 이를 재빨리 닫고, 가압하고, 환기시키고, 명시된 경화 시간 내에 경화된 중합체를 오토클레이브로부터 꺼냄으로써, 10분 미만 내에 경화된 샘플을 제조하였다. 견본을 즉시 성형틀으로부터 꺼냈다.
파괴 인성: 순수 수지의 파괴 인성의 측정을 위한 샘플을 ASTM 표준 D5045 - 중합체의 평면 변형률 인성 시험에 따라, 특히 "노치 보(notched beam)" 기하구조에 따라 제조하였다. 뷔흘러(Buehler) 에코메트(ECOMET) 3 가변 속도 연삭-정마기를 사용하여 표면 결함을 제거할 뿐만 아니라 시험 견본이 시험 표준에 의해 정의된 기하 공차를 충족시키도록 보장하였다. CNC 분쇄기에서 슬릿팅(slitting) 톱을 사용하여 예비균열을 형성한 후에, 샘플을 고정된 미사용 면도날 위로 최소 10회 밀어서 균열 선단을 연마하였다. 균열 선단의 균일한 연마를 보장하기 위해, 각각의 견본 및 비품을 사용한 후에는 면도날을 교체하였다. 예비균열된 샘플을 30 kN 하중 변환기를 갖는 인스트론(Instron) 3367 시험틀에 부착된 3-점 굽힘 시험 장치에 부하하였다. 균열이 샘플 전체를 통해 전파되기 전에 최대 하중을 기록하고 파괴 인성 계산에 사용하였다. 평균 및 표준편차를 적어도 5개의 견본의 샘플 세트에 기반하여 계산하였다.
인장 견본: 순수 수지 인장 강도 및 강성도의 측정을 위한 샘플을 특히 유형 IV 기하구조를 사용하여 ASTM 표준 D638에 따라 제조하였다. 샘플을 실리콘 고무 성형틀으로부터 꺼내고 뷔흘러 에코메트 3 가변 속도 연삭-정마기를 사용하여 사양에 맞게 정마하였다. 최종 정마를 위해 측면을 최종적으로 1500-그릿 습식/건식 사포를 사용하는 상업용 사포를 사용하여 손으로 정마하였다. 시험 견본을 인스트론 3367 시험틀의 30kN 하중 변환기에 부착된 인스트론 50 kN 웨지 그립(wedge grip)에 장착하였다. 파단 모드를 분석하여 시험 동안에 발생한 재료의 적정한 예상되는 파단을 확인하고 게이지부(gauge section)의 파단을 보장하였다. 시험 동안에 최대 하중을 기록하였고, 그것을 사용하여 인장 강도를 계산하였고, 응력-변형률 곡선의 초기 기울기를 사용하여 인장 탄성률을 계산하였고, 크로스헤드 연장분을 사용하여 각각의 견본에 대한 파단 변형률을 계산하였다. 평균 및 표준편차를 최소 5개의 견본의 샘플 세트에 기반하여 계산하였다.
수욕 처리: 순수 수지 샘플을 이전 절차에 따라 제조하였다. 그것을 오토클레이브로부터 꺼내고 성형틀로부터 분리한 후에, 견본을 RO-여과수의 욕에 침지시켰다. 욕에 뚜껑을 느슨하게 덮고 욕을 80℃ 오븐에 24시간 동안 넣어 두었다. 이어서 욕을 오븐으로부터 꺼내고 냉각시킨 후에, 샘플을 수욕으로부터 꺼냈다. 이어서 시험을 위한 샘플을 상응하는 샘플 제조 절차에 따라 제조하였다.
습기 처리: 순수 수지 샘플을 이전 절차에 따라 제조하였다. 그것을 오토클레이브로부터 꺼내고 성형틀로부터 분리한 후에, 견본을 포화된 습한 환경에 두었다. 이러한 환경을, 실험실용 진공 오븐 내부의 파이렉스(Pyrex) 베이킹 접시에 과량의 액체 물을 넣음으로써, 조성하였다. 오븐을 40℃로 가열하고 외부 환경으로부터 완전히 밀봉하여 물로 하여금 공기 중으로 증발하게 하여 그곳에 남아 있도록 하였다. 오븐 내부의 습도를 약 100%로 유지하였다. 샘플을 이러한 환경에 24 - 72시간 동안 노출시켰다. 유사한 시험을 22℃에서 20 내지 70%의 상대 습도를 갖는 제어된 실험실 환경에서 대기압에서 수행하였다.
대기 노화: 샘플을 실내환경 제어된 실험실에서 노화시켰다. 상대 습도는 제어되지 않았다.
동적 기계적 분석. 경화된 중합체 및 섬유 강화된 중합체 복합재의 유리 전이 온도 (Tg)를 동적 기계적 분석 (DMA)을 사용하여 측정하였고, 이때 Tg는 Tanδ 경화의 피크로서 명시된다.
본 발명의 실시양태 중 일부를 보여주기 위해 비교 실시예를 제조하였다. 표 1, 3 및 4에는 반응 혼합물의 구성성분 및 반응 조건이 제공되어 있다. 모든 실시예에 대한 반응물은 순수 수지 시험 샘플 절차에 따라 제조되었다.
실시예 1-9
실시예 1-9에 대한 배합비 및 경화 조건은 표 1에 주어져 있고, 모든 실시예에 대한 상응하는 재료 특성은 표 2에 제공되어 있다. 인장 강도, 인장 강성도 및 파단 변형률을 유형 IV 기하구조를 사용하여 ASTM D638에 따라 수득한 반면에, 파괴 인성을 단일 에지 노치 보 견본을 사용하여 ASTM 5045에 따라 측정하였다. 비교 실시예 1-9는 12시간 동안 180℃의 경화 조건을 보여주며, 다양한 반응물 조합을 사용하여 높은 기계적 강도, 강성도 및 인성을 갖는 중합체를 획득할 수 있음을 보여준다. 표 2는 주위 조건에서 12주 노화 후의 견본의 유리 전이 온도를 보여주며, 매우 높은 Tg가 수득될 수 있음을 보여준다.
<표 1>
Figure 112021077605417-pct00003
<표 2>
Figure 112021077605417-pct00004
실시예 10-23
실시예 10-16에 대한 배합비 및 경화 조건은 표 3에 주어져 있고, 실시예 17-22에 대한 배합비 및 경화 조건은 표 4에 주어져 있고, 모든 실시예에 대한 상응하는 재료 특성은 표 5에 제공되어 있다. 인장 강도, 인장 강성도 및 파단 변형률을 유형 IV 기하구조를 사용하여 ASTM D638에 따라 수득한 반면에 파괴 인성을 단일 에지 노치 보 견본을 사용하여 ASTM 5045에 따라 측정하였다. 비교 실시예 10-16은 경화된 조성물이 저하된 온도 경화 조건을 통해 수득될 수 있음을 보여주며, 비교 실시예 17-22는 고성능 특징을 갖는 경화된 조성물이 5분 미만 내에 수득될 수 있음을 보여준다. 비교 실시예 10은 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 이소시아누레이트 (와네이트 HT-100)를 포함하는 반면에, 비교 실시예 11은 85℃에서 2시간 동안 경화된 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 우레트디온 (데스모두어(DESMODUR) N3400)을 포함하고 탁월한 기계적 특성이 수득될 수 있음을 보여주었지만, 비교 실시예 12는 지방족 성분을 포함하지 않고 동일한 경화 조건 하에서 제한된 강도를 갖는 부서지기 쉬운 중합체를 달성한다. 지방족 이소시아네이트는 방향족 이소시아네이트보다 더 낮은 반응성을 갖는 것으로 공지되어 있으므로 반응 혼합물에 지방족 성분이 존재하면 반응이 느려질 것으로 예상된다. 이러한 비교 실시예는, 예상과는 상반되게, 지방족 성분의 존재가 더 낮은 온도에서의 중합체의 경화를 허용할 수 있음을 보여준다. 이러한 결과를 각각 110℃ 및 120℃에서 2시간 경화를 사용하는 실시예 13 및 14를 통해서도 추가로 볼 수 있으며, 상기 결과는 반응 온도가 상승할수록 기계적 특성이 증진되고 120℃에서 지방족 이소시아네이트가 반응 혼합물에 존재하지 않은 경우와 유사한 특성이 수득될 수 있음을 보여준다. 비교 실시예 15는 DABCO가 BDMA에 1:5의 중량비로 용해된 것을 촉매로서 사용하는 것을 보여주는 반면에, 비교 실시예 16은 상승된 경화 온도가 기계적 특성을 더욱 개선할 수 있음을 보여준다. 비교 실시예 17 및 18은 본 발명의 반응 혼합물이 5분 정도로 짧은 시간 내에 경화될 수 있으면서도 더 낮은 온도에서 더 오랜 시간 동안 경화된 것과 유사한 기계적 특성을 달성함을 보여준다. 실시예 19-23은 적합한 용매에 용해된 DABCO의 촉매 용액을 사용한다. 실시예 19-23은 중량을 기준으로 1:3의 DABCO:벤조니트릴 용액을 사용한다. 비교 실시예 19 및 20은 본 발명의 반응 혼합물이 3분 정도로 짧은 시간 내에 경화될 수 있으면서도 더 낮은 온도에서 더 오랜 시간 동안 경화된 것과 유사한 기계적 특성을 달성함을 보여준다. 실시예 21은 본 발명의 반응 혼합물이 160℃에서 2분 정도로 짧은 시간 내에 경화될 수 있으면서도 더 낮은 온도에서 더 오랜 시간 동안 경화된 것과 유사한 기계적 특성을 달성함을 보여준다. 실시예 22는 반응 혼합물이 120℃에서 5분 내에 경화될 수 있음을 보여주고 실시예 23은 반응 혼합물이 130℃에서 3분 내에 경화될 수 있으면서도 더 높은 온도에서 경화된 것과 유사한 기계적 특성을 달성함을 보여준다.
실시예 24
반응 혼합물을 섬유 강화재에 주입하고 섬유 강화된 복합재 견본의 제조를 통해 설명하였다. 진공 보조 수지 이송 성형 (VARTM)을 사용하여 실시예 20의 반응 혼합물을 373 gsm의 면적당 중량을 갖는 8겹 12k 미쓰비시 그라필(Mitsubishi Grafil) 탄소 섬유 단방향 탄소 테이프에 주입하였다. 패널을 오토클레이브에서 100 psi에서 3분 동안 170℃에서 또는 핫 프레스에서 170℃에서 3분 동안 경화시키기 전에, VARTM 공정을 2-10 분에 걸쳐 완료하였다. 복합재를 오토클레이브에 삽입한 후에, 밀봉하고, 진공 백에 넣어진 복합재를 투입 후 대략 90초 만에 즉시 100 psi로 가압하고, 이어서 대략 15초 동안 압력을 유지한 후에, 오토클레이브 문을 열어 환기하고 상기 온도에서 180초 후에 복합재를 꺼낸다. 경화된 복합재를 오토클레이브로부터 꺼낸 후 즉시 평판 및 진공 백으로부터 꺼내고 주위 조건 하에 경화되도록 하였다. 이러한 공정은 고압 수지 이송 성형 (HP-RTM) 가공을 시뮬레이션하기 위한 것이며 3분 내에 차가운 수지의 경화를 보여주는 반면에, 고압 사출 시스템은 수지를 성형틀에 도입시키기 전에 가열할 수 있게 하여 경화를 상당히 가속화한다. 복합재의 단보(short beam) 강도는 ASTM 2344에 따라 시험된 것이며 69.0 ± 3.68 MPa의 높은 단보 강도를 보여주었다.
<표 3>
Figure 112021077605417-pct00005
<표 4>
Figure 112021077605417-pct00006
<표 5>
Figure 112021077605417-pct00007
본 발명의 한 실시양태에서, 경화된 조성물은 대기 수분의 존재 하에 노화되거나 물에 침지된 경우에 크게 상승된 유리 전이 온도를 나타낸다. 표 6은 주위 압력 및 습도에서의 노화, 승온 및 높아진 습도에서의 노화, 및 후속적으로 뜨거운 물에의 침지 전 및 후의, 선택된 실시예의 유리 전이 온도 (Tg)를 보여준다. 각각의 실시예에서 결과는 경화된 조성물이 크게 개선된 유리 전이 온도를 경험함을 보여준다. 선행 기술의 중합체는 수분에 노출되면 주로 저하된 유리 전이를 나타낸다. 그러나 여기서 본 발명의 경화된 조성물은 하기 표 6에 나와 있는 바와 같이 유리 전이 온도의 상당한 상승을 경험한다. 상기 결과는, 매우 놀랍게도, 종래의 교시내용과 상반된다.
<표 6>
Figure 112021077605417-pct00008
당연히, 관련 법적 표준에 따라 설명된, 전술된 본 발명의 상기 교시내용에 비추어 본 발명의 많은 개질 및 변경이 가능하며; 따라서 설명은 본질적으로 제한하는 것이라기보다는 단지 예시하는 것일 뿐이다. 개시된 실시양태에 대한 변경 및 개질은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다. 따라서, 본 발명의 법적 보호 범위는 하기 청구범위를 검토함으로써만 결정될 수 있다.

Claims (30)

  1. 이소시아누레이트 기재 중합체를 제조하는 방법이며,
    액체 방향족 폴리이소시아네이트를 제공하고;
    삼량체화 촉매를 제공하고;
    적어도 하나의 일관능성 또는 다관능성 에폭시드를 제공하고;
    상기 방향족 폴리이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (MDI) 및 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)의 조합을 포함하여, 2 초과의 평균 관능가를 갖는 상기 방향족 폴리이소시아네이트를 제공하고;
    상기 방향족 폴리이소시아네이트를 상기 적어도 하나의 에폭시드의 총 반응 혼합물의 10 중량% 미만과 혼합하여 반응 혼합물을 형성하고, 상기 반응 혼합물은 반응성 수소를 7.5% 미만의 몰분율로 포함하고;
    아민 촉매, 유기금속성 화합물, 및 이미다졸 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 상기 삼량체화 촉매를 상기 반응 혼합물과 혼합하고;
    상기 반응 혼합물을 경화시켜, 우레탄 기 및 아미드 기를 7.5% 미만의 몰분율로 포함하고, 둘 이상의 이소시아네이트의 반응 생성물을 포함하는 중합체 조성물을 제조하는 것인
    단계들을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2 초과의 평균 관능가를 갖는 상기 방향족 폴리이소시아네이트를 제공하는 상기 단계가, 2.5 초과의 평균 관능가를 갖는 상기 방향족 폴리이소시아네이트를 제공하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 우레트디온, 이소시아누레이트, 비우레트, 알로파네이트 또는 이미노옥사디아진디온 중 적어도 하나를 포함하는 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 지방족 폴리이소시아네이트를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물이 일관능성 또는 다관능성 에폭시드를 총 반응 혼합물에 대해 최대 7%의 중량 퍼센트의 비율로 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에폭시드가 총 반응 혼합물에 대해 3%의 중량 퍼센트의 비율로 포함되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물이 우레탄 기, 아미드 기, 우레아 기, 우레트디온 기, 비우레트 기, 알로파네이트 기, 이소시아누레이트 기 또는 카르보디이미드 기 중 적어도 하나를 포함하는 이소시아네이트 종결된 예비중합체에 의해 추가로 정의되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물이 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 우레트디온 및 헥사메틸렌 디이소시아네이트의 삼량체 중 적어도 하나를 2-20%의 중량 퍼센트로 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중합체 조성물을 습한 환경 또는 수용액 중 하나에서 후경화시켜 300℃ 초과의 유리 전이 온도를 제공하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 중합체 조성물을 주위 온도 및 압력에서 대기 수분을 포함하는 환경에서 노화시킴으로써 상기 중합체 조성물에 300℃ 초과의 유리 전이 온도를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 중합체 조성물이 주위 노화 후에 350℃ 초과의 유리 전이 온도를 갖는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물을 촉매처리한 후 섬유상 재료를 제공하고 상기 섬유상 재료에 상기 반응 혼합물을 주입한 다음, 상기 반응 혼합물을 가열하여 상기 섬유상 재료에 의해 강화된 반응 혼합물을 경화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 삼량체화 촉매를 상기 반응 혼합물에 첨가하기 전에 상기 적어도 하나의 에폭시드를 상기 반응 혼합물에 첨가함으로써, 미래의 상기 삼량체화 촉매와의 촉매처리를 위한 저장 안정성인 반응 혼합물을 형성하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반응 생성물이 ASTM 표준 D5045에 따른 0.5 MPa·m1/2 초과의 파괴 인성을 갖는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물을 경화시키는 상기 단계가 상기 반응 혼합물을 10분 미만 내에 열 경화시키는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물을 경화시키는 상기 단계가 상기 반응 혼합물을 120℃ 미만에서 5분 미만 내에 열 경화시키는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물을 경화시키는 상기 단계가 상기 반응 혼합물을 170℃ 미만에서 2분 미만 내에 열 경화시키는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합물을 경화시키는 상기 단계가 상기 반응 혼합물을 170℃ 미만에서 1분 미만 내에 열 경화시키는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 액체 방향족 폴리이소시아네이트가 1,500 mPa·s 미만의 점도를 갖는 것인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 액체 방향족 폴리이소시아네이트가 300 mPa·s 미만의 점도를 갖는 것인 방법.
  20. 제11항에 있어서, 섬유상 재료를 제공하는 단계가 단방향 섬유유리, 직조 섬유유리, 비권축 섬유유리, 부직조 섬유유리, 단방향 탄소 섬유, 직조 탄소 섬유, 비권축 탄소 섬유, 부직조 탄소 섬유, 단방향 현무암 섬유, 직조 현무암 섬유, 비권축 현무암 섬유, 및 부직조 현무암 섬유 중 적어도 하나를 제공하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  21. 이소시아누레이트 중합체성 재료를 제조하는 방법이며,
    메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (MDI) 및 중합체성 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트 (pMDI)를 포함하는 방향족 폴리이소시아네이트를 제공하는 단계;
    촉매량의 에폭시를 상기 방향족 폴리이소시아네이트와 혼합함으로써 반응 블렌드를 제조하는 단계;
    반응 블렌드를 제조한 후에, 상기 방향족 폴리이소시아네이트의 중합 개시를 위해 촉매를 반응 블렌드와 혼합하고, 반응 블렌드를 5분 미만 동안 170℃ 미만으로 가열함으로써 상기 방향족 폴리이소시아네이트에 의해 중합된 이소시아누레이트 중합체성 재료를 경화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 촉매를 상기 반응 블렌드와 혼합하는 상기 단계가 삼량체화 촉매를 상기 반응 블렌드에 혼합하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 촉매를 상기 반응 블렌드에 혼합하는 상기 단계가, 용매에 용해된 비스-(2-디메틸아미노에틸)에테르 (BDMAEE) 또는 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄 (DABCO) 중 적어도 하나를 상기 반응 블렌드에 혼합하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  24. 제21항에 있어서, 촉매량의 에폭시를 상기 방향족 폴리이소시아네이트와 혼합하는 상기 단계가 10 중량% 미만의 에폭시를 상기 방향족 폴리이소시아네이트와 혼합하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  25. 제21항에 있어서, 반응 블렌드를 가열하기 전에, 섬유상 재료를 제공하고 상기 섬유상 재료에 상기 촉매와 혼합된 상기 반응 블렌드를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 섬유상 재료를 제공하는 상기 단계가 단방향 섬유유리, 직조 섬유유리, 비권축 섬유유리, 부직조 섬유유리, 단방향 탄소 섬유, 직조 탄소 섬유, 비권축 탄소 섬유, 부직조 탄소 섬유, 단방향 현무암 섬유, 직조 현무암 섬유, 비권축 현무암 섬유, 및 부직조 현무암 섬유 중 적어도 하나를 제공하는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  27. 제21항에 있어서, 반응 블렌드를 5분 미만 동안 170℃ 미만으로 가열하는 상기 단계가 반응 블렌드를 5분 미만 동안 120℃ 미만으로 가열함으로써 이소시아누레이트 중합체성 재료를 경화시키는 것으로서 추가로 정의되는 것인 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 이소시아누레이트 중합체성 재료가 주위 온도 및 압력에서 노화된 후에 300℃ 초과의 유리 전이 온도를 갖는 것인 방법.
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