水性樹脂

水性樹脂は水性樹脂と呼ばれることもあります。これらは、溶剤または無溶剤ではなく、水を運搬媒体として使用する樹脂またはポリマー樹脂です。樹脂は、コーティング、接着剤、シーラント、エラストマー、複合材料の製造に使用されます。^{[1] [2]}水性樹脂という語句が使用される場合、通常は水を主な運搬溶媒とするすべての樹脂を指します。樹脂は水溶性、^[3]水希釈性、または水分散性の場合があります。^[4]

ほとんどのコーティングには4つの基本成分があります。これらは樹脂、溶剤、顔料、添加剤システムです^[5]が、樹脂またはバインダーが主要な成分です。多くの国で環境法が継続していることや、石油生産などの地政学的な理由から、化学者はペイント/コーティングに水性技術を採用する傾向が強まっています。樹脂やバインダーはコーティングの最も重要な部分であるため、水性で開発および設計されるものが増えており、コーティング配合者による使用は絶えず増加しています。水性コーティング、したがって水性樹脂の使用は、米国が主導した1960年代に実際に増加し始めましたが、その要因としては、a)可燃性を低減する必要性、b)大気中に排出される溶剤蒸気(VOC -揮発性有機化合物)の量を減らすことを目的とした環境法、c)コスト、d)政治的要因、つまり供給の安全性が挙げられます^[6] 。これらすべての要因が、石油由来の溶剤への依存を減らしたいという願望を後押ししました。コーティング、したがって樹脂の搬送溶剤としての水の使用は、それ以来増加しています。接着剤についても同じことが言えます。水は一般的に安価（ただし無料ではない）で、豊富に供給され、毒性の問題もないため、塗料、インク、接着剤、繊維用糊などを水を溶媒として生産したいという要望が常にありました。これには、これらのシステム用に設計された水性樹脂の生産が必要でした。近年、法規制の圧力により、水性システム、したがって水性樹脂がますます注目を集めています。^{[7] [8] [9]}

エポキシ樹脂系は、一般に硬化剤とエポキシ樹脂から構成される。硬化剤とエポキシ樹脂は両方とも水性にすることができる。固体エポキシ樹脂（分子量＞1000）分散液は入手可能であり、エポキシ樹脂を水中に分散させたもので、共溶媒や界面活性剤の助けを借りることもある。樹脂骨格は、水分散性を確保するためにしばしば改変される。これらの樹脂は、水/共溶媒の蒸発と粒子の凝集により、それ自体で乾燥する。^[10]樹脂を硬化させて架橋させるには、通常、アミン系硬化剤を加える。これにより、2成分系が生成される。代替案としては、標準的な中粘度の液体エポキシ樹脂を使用し、水溶性ポリアミンまたはポリアミノアミド硬化剤樹脂で乳化する方法があり、これも2成分系を生成する。ポリアミノアミド（またはポリアミドアミン）は、エチレンアミンを二量化脂肪酸と反応させて、アミド結合を持ちながらもアミン官能基を有する種を生成することによって生成される。縮合反応中に水が放出される。これらの樹脂は、氷有機酸またはホルムアルデヒドとさらに反応させることで水溶性にすることができます。このような樹脂は通常、ポリマー骨格にさらにアミン官能基を残して、エポキシ樹脂を硬化および架橋できるようにします。^[11]その後、エポキシまたはアミン硬化剤のいずれか、または両方を着色することで、塗料を作ることができます。^{[12] [13]} ポリアミノアミド樹脂とは対照的に、ポリアミン硬化樹脂は、通常、多官能アミンをエポキシ樹脂および/またはエポキシ希釈剤で部分的に付加し、残留アミン官能基を残して作られます。この付加物は次に水に溶解し、より多くのエポキシ樹脂を乳化するために使用することができ、再びどちらかの部分または両方を着色することができます。これらのシステムの利点は、それらを溶解するために氷有機酸を必要としないことです。これは、コーティングが生コンクリートなどの高アルカリ性基材に使用される場合に利点となります。なぜなら、セメントのアルカリが酸を中和し、缶にブラシを繰り返し浸すと不安定になるからです。^{[14]水が存在し、それが}腐食の原因となるにもかかわらず、水性エポキシをベースにした水性金属コーティング剤も配合することができる。^{[15]他の研究では、}グラフェン技術と水性エポキシを組み合わせることの利点を調査している。 ^[16]

研究は継続しており、エポキシ系を水性系に変換する新しい方法を示す特許や論文が数多く発表され続けています。そのような方法の 1 つは、ポリプロピレン オキシド骨格を持つジオールなど、すでに本質的に部分的に親水性である分子をエピクロロヒドリンと反応させ、次に水酸化ナトリウムで脱塩酸するというものです。これにより、ジエポキシ末端ポリプロピレン グリコール分子が生成されます。これをトリエチレンテトラミン(TETA)などのエチレンアミンと反応させて、本質的に親水性でエポキシ樹脂を硬化できるアミン末端基を生成することができます。^{[17] [18]}これらの水性エポキシ コーティングは、適切な顔料を選択して使用すると、オイル タンクの内側をコーティングするために使用できます。^[19]

水希釈性アルキドは、基本的に従来のアルキド樹脂（飽和または不飽和油または脂肪酸、多塩基酸およびアルコールに基づくポリエステル）を水混和性を与えるように改質したものである。代表的な成分は、亜麻仁油、大豆油、ヒマシ油、脱水ヒマシ油、ベニバナ油、桐油、ココナッツ油、トール油などの植物油または脂肪酸である。酸には、イソフタル酸、テレフタル酸、アジピン酸、安息香酸、コハク酸、無水フタル酸、マレイン酸およびトリメリット酸が含まれる。ポリオールには、グリセロール、ペンタエリスリトール、トリメチロールプロパン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオールおよび1,4-ブタンジオールが含まれる。^[20]様々な程度の水混和性を導入するための一般的な方法は、他の樹脂システムと同様である。方法は基本的に、酸基などの親水性中心を導入し、その後中和して塩を形成することを含む。^{[21]骨格に極性基を導入することも別の方法である。アルキドの場合、典型的な方法には、}無水マレイン酸による不飽和脂肪酸のマレイン化が含まれる。これには、二重結合部位の近くでディールス・アルダー付加物を作ることが含まれる。導入された酸基は、その後、ポリオールとさらに反応することができる。ディールス・アルダー反応は、共役二重結合系がある場合にのみ起こる。共役していない場合は、単純な付加が起こる。他の技術には、例えばエチレングリコールを含むヒドロキシル官能性オリゴマーで樹脂を合成し、その後、反応の終わりに向かって特定の酸またはヒドロキシル含有物質を添加することが含まれる。別の技術は、カルボン酸基が豊富なアクリルモノマーブレンドでアクリル官能性アルキドを作ることである。アクリル改質水希釈性アルキドの合成技術が研究され、公開されている。^[22]

20世紀後半の技術により、アルキドエマルジョンの製造が可能になりました。^[23]この技術は、DTM（金属に直接塗布する）仕上げの製造を含め、進化を続けています。^[24]最大の課題は、VOC含有量を250g/L未満に抑えることです。耐腐食性が低いことも課題でした。アルキドエマルジョン技術では、従来のアルキドと同様に二重結合を持ち、酸化乾燥特性を持つ反応性界面活性剤を使用します。次に、材料をせん断下に置き、ゆっくりと水を加えます。最初は油中水型エマルジョンが形成されますが、水の追加とせん断を継続すると反転し、安定した水中油型エマルジョンが形成されます。^{[25] [26]}持続可能性やその他の市場要因により、多くの企業が市場に参入しています。^[27]特許だけでなく、このテーマに関する博士論文も大学で執筆されています。^[28]

飽和ポリエステル樹脂には、従来のアルキド樹脂に使用される材料の多くが含まれていますが、油や脂肪酸成分は含まれていません。これらの樹脂の一般的な成分は、ポリカルボキシル成分とポリヒドロキシル成分です。より一般的に使用されるポリ酸は、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、アジピン酸です。フタル酸無水物やトリメリット酸無水物も使用できます。ポリオールは、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオール、 トリメチロールプロパンである傾向があります。これらを水性にするには、2段階のプロセスで有機酸または無水物を追加しますが、他の方法もあります。^{[29] [30]}

ポリウレタン樹脂は水性で入手可能である。単一成分バージョンは通常ポリウレタン分散液（PUD）と呼ばれる。アニオン、カチオン、非イオンのバージョンで入手可能であるが、アニオン部分が最も簡単に市販されている。 ^[31]アニオンまたはカチオン中心、あるいは親水性非イオン製造技術の使用は、恒久的な耐水性の弱点をもたらす傾向がある。この弱点を克服するための研究が行われており、技術が開発されている。^[32]カチオンPUDも合成時に親水性成分を導入するが、さまざまな技術によって性能と耐水性を向上させる技術が研究されており、現在も研究が行われている。これには星型分岐ポリジメチルシロキサンの導入が含まれる。^[33]

水性ポリウレタンは2成分バージョンでも入手可能です。^{[34] 2成分ポリウレタンは}ポリオールとイソシアネート で構成されており、イソシアネートは水と反応するため、特別な配合と製造技術が必要です。 ^{[35] [36]}水分散性のポリイソシアネートは、例えばスルホネートで修飾される場合があります^[37]。PUDは通常、植物由来のポリオールでは合成されません。これは、他の性能向上官能基がないためです。最近の研究（2021年）では、これを実現し、さらに環境に優しいバージョンを可能にするための修飾が報告されています。^[38] 1成分水性ポリウレタンの性能を2成分バージョンに匹敵させる作業も進行中です。^[39] 2成分水性ポリウレタンの自己修復バージョンが研究されています。^[40]研究によると、これらの樹脂システムをポリアニリンで修飾すると、耐食性を含む多くの特性が向上することが示されています。^[41]水を輸送しないという経済性のために、固形分含有量を増やすことも望まれます。^[42]

イオン中心は通常水性PUDで導入されるため、結果として得られるフィルムの耐水性が研究されている。ポリオールの性質とCOOH基のレベル、および他の部分による疎水性修飾により親水性が向上する可能性がある。ポリエステルポリオールは最も大きな改善をもたらす。^{[43] [44]}ポリカーボネートポリオールも特性を向上させ、^{[45] [46]}特にポリカーボネートがフッ素化されている場合は特性が向上する。^[47]

樹脂をシリコンで改質すると、この種はより疎水性と耐水性が増します。^{[48] [49] [50]}

世界が低炭素経済への移行を目指す中、大気中の二酸化炭素を利用した炭素回収が注目を集め、研究が行われている。PUD製造における二酸化炭素の利用が研究されている。^[51]

ラテックスは、水中のポリマーの安定した分散液（エマルジョン）です。合成ラティスは通常、水中に分散した界面活性剤で乳化した酢酸ビニルなどのモノマーを重合することによって作られます。^[52]全体的な技術は乳化重合と呼ばれます。油中水から水中油エマルジョンへの反転を含む他の技術も利用できます。^[53]近年特に重点が置かれているのは、自己架橋バージョン、特にアクリルエマルジョンの製造です。例として、これらはジビニルシランで改質することによって製造できます。^[54]いくつかの例として、酢酸ビニルベースのラテックス、アクリル、スチレンブタジエンバージョンがあります。これらは、金属に直接塗布する水性コーティングの製造に使用できます。^[55]水性アクリル樹脂は、水性塗料でもよく使用されます。^[56]

エマルジョン重合で製造されたアクリルラテックスは、他の機能性モノマーを共重合することで改良されることが多い。^[57] グリシジルメタクリレートは、オキシラン官能基をポリマーに組み込むために使用されるモノマーの1つである。これにより、この樹脂から配合された塗料の特性（耐擦過性など）が向上する。DMAEMA（ジメチルアミノエチルメタクリレート）もそのような種である。^[58]アクリルラテックスを改良するための他の革新的な技術には、アクリル官能基を持つ殺生物剤を改質モノマーとして組み込むことが含まれる。これにより、水性塗料のバインダーが本質的に抗殺生物性になる。^[59]水性アクリルの硬化を早める技術が存在する。^[60] UV硬化可能な水性アクリルラテックスおよびポリウレタンアクリレートも製造されている。^[61]

ポリマーおよびオリゴマーアジリジンは、水性樹脂を架橋するために使用される成分の1つです。通常、これらはこれらの種に存在するカルボキシル基と反応します。ポットライフは通常、他の特性とともに改善されます。^[62]

記事「電気泳動沈着」を参照

電着に使用される樹脂は、通常、エポキシ、アクリル、またはフェノール樹脂タイプです。これらは、中和されるとポリマー骨格上にイオン基を形成する官能基で配合されます。これらはポリマーに水溶性を付与します。これらは、電気化学セルのカソードに析出する陽極バージョンと、カソードに析出する陰極バージョンとして利用できます。^[65]陰極電着樹脂が主流であり、自動車産業の腐食防止に革命をもたらしました。セラミックだけでなく金属もこの方法でコーティングできます。^[66]これらは、再仕上げシステムとしてではなく、OEM（相手先ブランド製造）として適用されます。陰極樹脂は、ポリマー骨格上にアミンを含み、酢酸などの酸基によって中和されて安定した水性分散液になります。陰極電着樹脂ベースの塗料を含む浴槽に浸した車体に電流を流すと、陰極の近くに形成されたヒドロキシルイオンが車体に塗料を析出させます。これに必要な電流は、イオン中心の数によって決まります。電着塗装用の水性樹脂の分散液には、通常、ブチルグリコールやイソプロパノールなどの共溶媒が含まれており、固形分含有量は通常非常に低く、15% です。分子量は通常 3000～4000 の範囲です。これらをベースにした塗料は、PVC が 10 未満である傾向があり、つまりバインダーと顔料の比率が非常に高くなります。

陰極電気泳動沈着コーティングは室温でも自己修復性を持つことができる。この合成に使用されるベースポリマーは、アニオン性ではなくカチオン性の水性ポリウレタン分散液（PUD）である。^[67]

多くの樹脂は水性で入手可能ですが、ハイブリッドまたはブレンドにすることもできます。一例としては、自動車用塗料で一般的に使用されているアクリル樹脂とブレンドまたはハイブリッド化されたポリウレタン分散液があります。 ^{[68] [69]}このようなシステムは、アクリルモノマーとポリウレタン分散液を使用して作成でき、共溶媒としてNMPを必要とせずに、同時に重合して相互浸透ポリマーネットワークを形成します。これにより、アクリルの低コストとポリウレタンの高性能が組み合わされます。^{[70]水性エポキシ樹脂は、アクリレートで改質し、次に多くの}フッ素原子を持つ側鎖でさらに改質することができます。^[71]水と再生可能な原材料の両方を使用する水性樹脂も利用できます。^[72]別の例としては、アルキド樹脂をアクリルと組み合わせて水性にすることです。ハイパーブランチアルキドを使用し、アクリルモノマーで改質し、ミニエマルジョン重合を使用すると、適切なハイブリッドを形成できます。^[73]樹脂のハイブリッド化だけでなく、技術の組み合わせを使用することもできます。一例として、エポキシ樹脂とアクリル樹脂の水性ハイブリッドで電着塗装可能な紫外線硬化コーティングが製造される可能性がある。 ^{[74] [75]}

ハイブリッド樹脂には、水性かつ紫外線硬化性の PUD などがある。これらは研究されており、多くの論文が発表されている。^{[76] [77] [78] [79] [80] [81]}エポキシ化大豆油を使用した UV 硬化性の PUD アクリルが製造されている。^[82]アクリレートの構造と種類が特性に影響を与える。^[83]植物由来で水性かつ紫外線硬化性のコーティングに使用されるハイブリッド樹脂は非常に環境に優しいと考えられており、研究も行われている。^{[84] [85]}同様に、紫外線硬化性の水性フッ素化ポリウレタンアクリレート樹脂を設計し、コーティングに使用することができる。^[86]アクリル PUD のハイブリッド化だけでなく、シランモノマーによるさらなる改質も行うことができる。^[87]

ハイブリッド化の他の例としては、水性エポキシをラテックス分散液で改質することが挙げられる。ラテックス改質エポキシ水性分散液は蒸発技術によって処理される。この研究ではニトリルラテックスが使用された。^[88]

大豆油をエポキシ化し、アクリル酸と反応させることで、再生可能な成分も含む水性エポキシアクリレートが生成される。この技術により耐腐食性が向上する。^[89]

アルキド樹脂も同様にハイブリッド化して水希釈性にすることができます。これはアクリル変性によって達成できます。^[90]水性エポキシ樹脂もアクリル化してハイブリッド化することができ、これらのシステムについては多くの研究が行われています。^{[91] [92] [93] [94]}スチレンアクリルエマルジョンとハイブリッド化した水性アルキド樹脂を使用する研究も行われています。これらは水性外装装飾用および建築用塗料に使用されます。^[95]

世界の一部地域では低炭素経済への傾向があり、バイオベースの含有量が多い、または再生可能な材料は高く評価されています。^[96]水性樹脂はすでに環境に優しいと認識されていますが、可能な限り石油由来ではない原材料を使用することで、これをさらに改善するための作業が進行中です。^[97]水性エポキシはそのような研究分野の1つです。^[98]水性樹脂は通常、グリーンで環境に優しいと考えられているため、大気から二酸化炭素を捕捉して原材料を作り、さらに合成する技術が研究されています。^[99]

水はある意味では珍しい化学物質です。非常に強力で万能な溶媒です。ほとんどの液体は凍結すると体積が減りますが、水は膨張します。地球上では、固体 (氷)、液体 (水)、気体 (水蒸気と蒸気) の 3 つの状態すべてで自然に存在します。273.16 K または 0.16 °C (三重点として知られています) では、3 つの状態すべてが同時に共存できます。分子量は 18 と非常に低いですが、沸点は 100 ^{0 C と比較的高くなっています。これは分子間力、特に}水素結合によるものです。表面張力も 72 ダイン/cm (mN/メートル) と高く、特定の表面を濡らす能力に影響します。一部の溶媒と比較して、水は非常にゆっくりと蒸発し (蒸発潜熱 2260 kJ/kg)、相対湿度が非常に高いとほとんど蒸発しません。比熱容量が非常に高い（4.184 kJ/kg/K）ため、英国やヨーロッパではセントラルヒーティングシステムに使用されています。これらの要因は、水性樹脂や接着剤、コーティング剤などの他の水性システムを配合する際に考慮する必要があります。^{[100] [101]}

水性樹脂は、コーティング、接着剤、シーラント、エラストマーなどの用途に使用されています。具体的には、繊維コーティング、^[102]工業用コーティング、^[103] UVコーティング、^[104]床コーティング、^[105]衛生コーティング、^[106]木材コーティング、^[107]接着剤、^[108]コンクリートコーティング、^[109 ]自動車コーティング、^{[110] [111]}クリアコーティング^[112]および水性エポキシベースの防錆プライマー^{[113] [114] [115]}を含む防錆用途に使用されています。また、ポリウレタン分散液に基づく液体包帯であるポリウレタンドレッシングなどの医療機器の設計と製造にも使用されています。^[116]長年にわたり、ポリマー改質セメントや補修モルタルにも使用されてきました。 ^[117]また、不織布のコーティングを含む一般的な繊維用途にも使用されています。^{[118]最近の（2020年以降）イノベーションには、} COVIDに対抗するために銀粒子を埋め込んだ水性ポリウレタンの製造が含まれています。^[119]抗菌性を備えた水性ポリウレタン分散液も開発されています。^[120]

• コーティング
• 高分子科学
• プレポリマー
• 合成樹脂
• 水

• エポキシ樹脂技術。ポール・F・ブルーインズ、ブルックリン工科大学。ニューヨーク：インターサイエンス出版社。1968年。ISBN 0-470-11390-1. OCLC  182890.{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
• フリック、アーネスト W. (1993)。エポキシ樹脂、硬化剤、化合物、および改質剤: 工業ガイド。パークリッジ、ニュージャージー。ISBN 978-0-8155-1708-5. OCLC  915134542.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
• フィリップ・シャーマン、英国レオロジー協会(1963)。エマルジョンのレオロジー：英国レオロジー協会主催シンポジウムの議事録...ハロゲート、1962 年 10 月。マクミラン。ISBN 9780080102900。
• Erbil, Yildirim H. (2000). 酢酸ビニルエマルジョン重合およびアクリルモノマーとの共重合. doi :10.1201/9781420038804. ISBN 9780429117794。
• エリセーヴァ、VI (1981)。乳化重合とその産業への応用。SS イヴァンチェフ、SI クチャノフ、AV レベデフ。ボストン、マサチューセッツ州：Springer US。ISBN 978-1-4684-1641-1. OCLC  851754165.
• Chern, Chorng-Shyan (2008)。乳化重合の原理と応用。ホーボーケン、ニュージャージー州：Wiley。ISBN 978-0-470-37794-9. OCLC  264621081.
• Gooch , Jan W. (2002)。アルキド樹脂の乳化と重合。ニューヨーク：Kluwer Academic/Plenum Publishers。ISBN 0-306-47554-5. OCLC  51893677.
• アデル・MA・モハメド（2016）。複合材料の電着。テレサ・D・ゴールデン。 [Erscheinungsort nicht ermittelbar]。ISBN 978-953-51-4633-9. OCLC  1193046213.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
• 「コーティングの電着」、アメリカ化学会、ワシントン DC、1973 年、ISBN 0-8412-0161-7 
•  Zhitomirsky, I. (2002-03-29). 「セラミックおよび有機セラミック材料の陰極電着。基本的な側面」。コロイドおよび界面科学の進歩。97 (1): 279–317。doi : 10.1016 /S0001-8686(01)00068-9。ISSN 0001-8686。PMID 12027023  。

• コベストロ
• DSM は 2020-11-29 にWayback Machineにアーカイブされました
• DIC
• PU 一般情報
• インコレズシリーズ
• Allnexのウェブサイト
• ヘキシオンウォーターボーン樹脂
• アルケマ水性樹脂
• アルキドエマルジョン - Van Horn, Metz & Co. Inc.