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JP3584482B2 - 新規シリコーン化合物とその製造法 - Google Patents
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JP3584482B2 - 新規シリコーン化合物とその製造法 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般式
【0002】
【化5】
Figure 0003584482
【0003】
で示される有機官能基として3官能アルコキシシランカップリング剤(SCA)と2官能アルコキシSCA由来の3−グリシドキシプロピル基を持ち、しかも常温で安定なシラノール基xを0.1〜1.0個含むオルガノポリシロキサンとその製造方法に関するものである。
【0004】
【従来の技術とその問題点】
従来、シランカップリング剤はガラス強化FRP用途に1947年頃より実用化されダウコニング社のプルードマン(E.P.Plueddemane)等により応用展開がはかられたシラン化合物である。現在でも主として熱硬化樹脂とフィーラ間に作用して耐熱水強度向上や電気特性のダウンを抑えるバインダーとして広く使用されている。最近では、強度向上目的以外に繊維処理剤としてヌメリ感や反発弾性を与える薬剤としての使い方やプラスチックマグネット製造時に添加されて配向性と強度向上目的で使われている。またビニルシランカップリング剤ではポリエチレンの簡便な架橋剤として電線被覆に適応されている。
3−グリシドキシプロピル基を有するシランカップリング剤はエポキシ樹脂コンパウンドに添加されてIC封止剤の特性維持に効果的に使われたり、プラスチックレンズの染色タイプのハードコート剤にも使われている。
最近発表された共加水分解物にはテトラメトキシシランと3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが試作されているが、本発明とは異なってアルコキシ基を相当量残した極低粘度のオイルである。これは、いわゆるポリマー化シランカップリング剤としての展開を模索するものであり、構造的にも機能的にも全く似て否なるものである。また、従来ポリメチルシロキサン主鎖にペンダントとしてアルコキシ基を持たせたものも提案されているが、いずれも有機樹脂との相溶性の問題が大きなネックとなり応用展開がはかられないままである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では従来より提案されてきた残留アルコキシ基を利用するのでなく、架橋性、反応性に富み、かつ常温では安定なシラノール基を含み三次元構造を含む3−グリシドキシプロピル基官能性のオルガノポリシロキサンを提供する。このシラノール基はメチル系ポリマーとの縮重合やポリシロキサン架橋による硬化物を得る事も可能である。含有するエポキシ基は勿論通常のポリマー化反応をさせる事が出来るし、エポキシ樹脂との良相溶性から従来のオルガノポリシロキサンでは出来なかった均質なポリマー化が出来るので新たな需要を創設可能である。本発明でエポキシ基は仕込み原料より由来するが、ジアルコキシSCAであるS520等はトリアルコキシSCAであるS510等に比べて、その工業的生産量の違い等から高価である。それ故、エポキシ基のソースとして可能な限りトリアルコキシSCAを利用するのが有益である。オルガノ官能性アルコキシシランカップリング剤同志であってトリアルコキシシランとアルキルジアルコキシシランの組み合わせにて共加水分解してアルコキシ基を残留させず、シラノール基に変換させる為にはシラン総モル数の少なくとも3倍モルの水、好ましくは3.5倍モル以上の水を反応させる必要がある。この為には使用する親水性溶媒は添加される水を充分溶解し得る量が必要である。かかる条件を満たしS520の如く酸触媒のみでは加水分解が長期間かかるシランカップリング剤では有機錫化合物の様な縮合触媒を添加する事で解決し得る事を見いだした。本発明に関わる反応原料の内の3−グリシドキシトリアルコキシシランはこれ単独での加水分解速度は常温で数時間でモノマー消失する早さである。最初から2種の原料を混合して加水分解をスタートさせると(一括仕込)、得られたオイルの粘度は本発明の二段加水縮合法に比べ低い。本発明によるオルガノポリシロキサンを出来る限り低廉に製造する為に、比較的に安価なトリアルコキシSCAを利用可能な方法として同一の有機官能基を持つジアルコキシSCAとトリアルコキシSCAを組み合わせる方法にて解決した。以上の記述から明らかなように、本発明の目的は、新規なオルガノポリシロキサンとその製造法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記(1)ないし(5)の各構成を有する。
(1)一般式[化6]で示される3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシラン
【0007】
【化6】
Figure 0003584482
【0008】
一般式[化7]で示される3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシラン
【0009】
【化7】
Figure 0003584482
【0010】
を有機錫縮合触媒の存在下、親水性溶剤又は親水性溶剤と水の混合溶剤中にて触媒量の酸触媒にてシラン総モルの3〜4倍モルの水で共加水分解、縮合反応せしめる事を特徴とする常温で安定なるシラノール基と3−グリシドキシプロピル基を併せ持つオルガノポリシロキサン(ここでR,R ,R はC 〜C の飽和炭化水素基である。製造法。
(2)前記第1項記載の3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランのnモルと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランのmモルの比を1/1〜1/8の範囲で反応させて、式[化8]で示されるオルガノポリシロキサン
【0011】
【化8】
Figure 0003584482
【0012】を製造することを特徴とする前記第1項に記載の製造法(ここで、RはC 〜C の飽和炭化水素基であり、xは1.0から0.1の数、m,nは3以上の正の整数であってポリマー末端基はシラノール基である)。
(3)3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランの共加水分解、縮合反応に先だって3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランに酸触媒、有機錫縮合触媒及びシラン総モルの3〜4倍モルの水を加えて加水分解させた後に所定モル比の3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランを加えて共加水分解縮合反応せしめることを特徴とする前記第1項または第2項に記載のオルガノポリシロキサンの製造法。
(4)3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランが3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランまたは3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシランであり、3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランが3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランまたは3−グリシドキシプロピルトリエトキシシランである前記第1項または第2項に記載のオルガノポリシロキサンの製造法。
(5)下式[化9]
【0013】
【化9】
Figure 0003584482
【0014】
で示されるオルガノポリシロキサン(ここで、RはC 〜C の飽和炭化水素基であり、xは1.0から0.1の数、m,nは3以上の正の整数であってポリマー末端基はシラノール基である)
【0015】
本発明の構成と効果につき以下に詳述する。本発明の構成成分である3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランの仕込モル比が1対1以上の場合には生成したオルガノポリシロキサンは少量のゲルを含むオイルだったり、ゲルを含まない低粘度オイルの場合もある一定しないポリマーを生成する。1対1以下のジアルコキシシランカップリング剤を少なくしたモル比で加水分解縮合反応させると、通常の操作で単離した反応物は常温でオイル状態を呈する。不安定なゲル生成の要因としては、赤外(IR)吸収分析と核磁気共鳴(NMR)分析の結果を考え合わせると、高ジアルコキシシランカップリング剤比率では、シラノール基xが1.5個以上になっている事実がある。恐らく高ジアルコキシシラン比率では、ジアルコキシシランがトリアルコキシシランと縮合していないホモポリマーを形成し易い為にフリーのシラノール基が増加するのではないかと推定されるが、その原因は現時点では不明である。3−グリシドキシプロピル基を含むジアルコキシのシランカップリング剤としては、アルキル基RはC 〜C飽和炭化水素基が適応されるが、特に好適にはC 〜C飽和炭化水素基が使用出来る。2つのアルコキシ基もC 〜C の飽和アルコールより製造したものが適当で、特に好適にはその加水分解速度よりメトキシ基あるいはエトキシ基が挙げられる。すなわち3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン(チッソ株式会社製サイラエースS520)や3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(信越化学社製CFシランKBE402)等の市販品が利用出来る。他方、3官能アルコキシSCAである3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランカップリング剤としては、アルコキシ基はC 〜C の飽和アルコールより製造したものが適当で、特に好適にはその加水分解速度よりメトキシ基あるいはエトキシ基が挙げられる。すなわち3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(チッソ株式会社製サイラエースS510)や3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン(信越化学社製CFシランKBE403)等の市販品が利用出来る。
【0016】
次に加水分解触媒としての酸であるが、触媒量の酸があればよく酸濃度は特に規定しない。例えば希釈した酸を規定量の水の分だけ添加する方法もある。酸の種類としては酢酸等の有機酸や塩酸、硫酸等の無機酸あるいは強酸性イオン交換樹脂のいずれも使用出来るが好ましくは加水分解速度の早い無機酸が推奨される。
【0017】
シラノール縮合触媒として作用する広範な種類の物質のいずれもが本発明に用いる事が出来る。かかる物質には、例えば、ジブチル錫ジラウレート、酢酸第一錫、オクタン酸第一錫の様な有機錫化合物、あるいはナフテン酸亜鉛、オクタン酸亜鉛、2−エチルヘキサン酸及びナフテン酸コバルトの如き金属カルボキシレート、チタニウムエステル及びキレートが挙げられる。好ましい化合物は有機錫化合物で特に錫カルボキシレート、例えばジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジアセテートがある。縮合触媒量は触媒量であれば特に規定しないが一般的にはシラン総量の0.05%以下で行われる。加水分解を充分行わせる為の水の量はシラン総モルに対して3〜4倍モル、好ましくは3.5倍モル以上の添加が必要である。
【0018】
反応溶媒としては親水性溶媒単独でもよいが、親水性溶媒の混合溶媒や親油性と親水溶媒の混合溶媒も適応出来る。例えば、メタノール、エタノール、アセトン、ターシャリブタノール、ジアセトンアルコール等の親水性溶媒、あるいはキシレン/アルコール、トルエン/アルコール等の混合溶媒も使用できる。
【0019】
本発明によるオルガノポリシロキサンの製造では二段加水分解縮合方法が発明の重要な位置を占めている。すなわち、2種の原料シランを混合状態で酸加水分解触媒と有機錫縮合触媒を加えて加水分解縮合反応させる(一括反応法)と仕込みモル比の違いが反応速度の違いとなり、例えばS520とS510の加水分解割合が反応時間経過で違うし、また仕込みモル比で違う結果となっている事がガスクロマグラフィー(GC)での反応追試チェックで確認された。
一括仕込みの反応方法で得られたオイルは反応速度の違いがポリマー構造の違いとなる事が理解される。すなわち、前記した高ジアルコキシシランカップリング剤比率の場合と類似し、ジアルコキシのホモポリマーが混合した形になると推定される。一括仕込法では粘度が比較的に低い結果がその現れとも考察される。S520の如きジアルコキシのシランカップリング剤は加水分解時間がトリアルコキシシランであるS510に比べ著しく長く2日間で40%弱が加水分解したに過ぎない程である。これを早めるには前記した縮合触媒添加が有効である事を見いだした。一方のS510の加水分解時間は室温下で数時間である。
【0020】
本発明ではかかる事実にかんがみ、S510を酸触媒と有機錫等の縮合触媒下に規定量の水で加水分解後に規定モルのS520を加えて共加水分解縮合反応せしめる。この二段加水分解縮合反応によれば室温条件にてほぼ半日で反応を完結出来る。従ってポリマーの構造形態はブロックコポリマーをとる事が予想される。
更に本発明では共加水分解縮合反応させたオルガノポリシロキサンを常温にて安定なシラノール基を有し、仕込モル相当のエポキシ酸素量を併せ持つ新規化合物を単離する事に成功した。単離には使用した有機溶媒を低温で親水性溶媒、中温で親油性溶媒及びこれら溶媒の水共沸混合物として留去せしめる。残った水を除くためにバス温140〜150℃で加熱乾燥する。
【0021】
本発明で得られたオルガノポリシロキサンオイルの溶解性の測定はガラスサンプル管に本発明のシリコーンオイルサンプル100mgを採り、これに1mlの各溶媒を加えて肉眼観察により溶け易さを判定する方法で行った。その結果は易溶、溶解、微溶、難溶、不溶の5段階表示で行った。本発明によるオルガノポリシロキサンオイルはトルエン、アルコール等の多くの溶剤に溶ける。この特性はメチル系シリコーンオイルに無い性質である。
【0022】
本発明のオルガノポリシロキサンは一般に次の(a)及び(b)の様な手段で上記の一般式で示されるものである事を確認出来る。
(a)赤外吸収スペクトル(IR)の解析
3450cm−1付近のSi−OHの特徴的吸収、3000cm−1〜2900cm−1付近のCH結合に基づく数本の吸収、1255cm−1のメチル基吸収,1100cm−1〜1000cm−1付近のSi−O−Siのブロードな吸収が現れる。3450cm−1付近の吸収ピークと2940cm−1付近の吸収ピークとの吸光度(logI /I)比はシラノール基含有率の相対値の指標となる。すなわち、この値が1.0以下であれば常温で安定なシラノール基を有したオイルである。この値が1.0以上では数十℃の加熱で樹脂状態の固体を呈するオルガノポリシロキサンポリマーである。
(b) H−核磁気共鳴スペクトル(H−NMR)
本発明のオルガノポリシロキサン中の水素原子の個数や結合様式、更に重水素置換により(Si)−OHである確認、水素原子の比から(Si)−OHの個数を知る事が出来る。
【0023】
実施例1で得られたオルガノポリシロキサンの構造式は下記[化10]の如くでシグナルの関係は表1に示した。
【0024】
【化10】
Figure 0003584482
【0025】
【表1】
Figure 0003584482
【0026】
粘度データーの測定は東京計器(株)製回転粘度計‘VISCONIC’を用いて25℃恒温で行った。本発明の実施例−1と実施例−2のオルガノポリシロキサンでは粘度は約900cp〜4000cpの範囲でS520/S510のモル比に比例的に変化した。すなわちS510のモル比が高い程粘度が高くなる。S520/S510のモル比が2/1以上では一部ゲル化が生じる。赤外吸収(IR)ではシラノールに基づく3450cm−1吸収ピークとCHに基づく2950cm−1吸収ピークの強度につきlogI /I吸光光度で両ピークの比をとると、モル比8/1〜2/1の範囲と1/1〜1/8の範囲とは明らかに不連続である。
すなわち、前者が吸光度比0.28〜0.35であるのに対して後者は0.55〜0.58と段差がある。また、NMRより求めたシラノール基の量は前者がモル比2/1、4/1、8/1に対応してx=1.7〜3.5〜5.4となるのに対して後者はx=0.9、2x=1.4、4x=2.0、8x=4.0であり平均的にx=0.9〜0.5の範囲にある。
【0027】
【発明の効果】
本発明のオルガノポリシロキサンは、後述した実施例において証明されている如く、ポリマー中に常温にて安定なシラノール基と仕込み原料の有機官能基であるエポキシ基が3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランの二段加水分解縮合反応により有するマルチファンクショナルな反応性オルガノポリシロキサンである。本発明のポリオルガノシロキサンは大抵のメチル系ポリシロキサンが有機溶媒や有機樹脂に溶解ないし親和性を持つていないのに対して本発明のオルガノポリシロキサンは多種類の有機溶媒に溶解する。また多種類の有機樹脂に親和性を示す。これら特徴より変性シリコーンオイルとしての用途は勿論、その他離型剤、剥離紙用シリコーン、パーソナルケア用シリコーン、塗料添加剤、シリコーン粘着剤、接着シール材、変性シリコーンシラント他広範囲の用途に展開出来る有用なものである。
【0028】
以下実施例によって本発明を説明する。しかし、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例1
3−グリシドキシプロピルメチルポリシロキサン、シラノール基含有3−グリシドキシプロピルポリシロキサン共重合オイルの合成:S520/S510=1/1(モル)
1Lの三口フラスコにチッソ(株)社製のS510の71gを採り、反応溶剤としてトルエン/メタノール=60/40の混合溶媒500mlを加える。縮合触媒としてジブチル錫ジラウレートの0.05g、加水分解触媒として塩酸を触媒量と3.5倍モルの水38mlを加えて常温下に5時間攪拌反応せしめる。ガスクロマトグラフィー(GC)にてS510のピークの消失を確認する。チッソ社製S520の66gを添加し、常温にて攪拌下に3時間加水分解縮合反応させる。GCにてS520及びこれのオリゴマーピーク消失を確認して反応終了とする。ウオーターバスにて加温し強攪拌下でメタノール及び共沸溶剤を留去する。残留液を300mlフラスコに移し、オイルバスにて加温し強攪拌下で残留トルエン及び塩酸を含む水を留去せしめる。こうして得られた油状オルガノポリシロキサンは102gで理論収率の98%、無色透明粘性液体である。粘度は880センチポイズ(25℃)であった。IRチャート及びNMRチャートを図1、図2に示した。なおNMRで1.85ppmのシグナルがOHに基づく成分を含む事の証明は図3に示した重水素置換により確認した。IR及びNMRの結果解析より得られた油状オルガノポリシロキサンの構造式は下記[化11]の如くであり、示性式は(C14 Si) ・(C11.93.95Si) である。
【0029】
【化11】
Figure 0003584482
【0030】
肉眼観察による溶け易さの判定結果は、アセトンに易溶、メタノール、エタノール、酢酸エチル、メチルエチルケトン、クロロホルム、エタノール、イソプロパノールに溶解、但しアルコールには溶解が若干遅い、n−ヘキサンに難溶、水に不溶であった。前記、3450cm−1付近の吸収ピークと2950cm−1付近の吸収ピークとの吸光度(logI /I)比は0.52であった。
【0031】
実施例2
3−グリシドキシプロピルメチルポリシロキサン、シラノール基含有3−グリシドキシプロピルポリシロキサン共重合オイルの合成:S520/S510=1/2、1/4、1/8(モル)
実施例1と同様に二段加水分解縮合反応にて製造する。但し仕込量は一段目のS510とN/10HCl溶液及び二段目のS520を表2に示した。一段目にS510と同時に加える有機錫縮合触媒はモル比によらず0.05g一定とした。
トルエン/メタノール=60/40の混合溶媒50mlもモル比によらず一定とした。GCにてS510モノマー及びオリゴマー消失確認してから、二段目のS520原料を添加した。
【0032】
【表2】
Figure 0003584482
【0033】
GCにてS520モノマーとオリゴマー消失確認する、S520添加後、室温にて数時間(通常3〜5時間)の反応時間が必要である。反応終了後、乾燥窒素気流にて溶媒を揮散せしめる、次いで乾燥濾紙に分離した塩酸を含む水玉を吸収させる。ヘアードライヤーの熱風にて残留するトルエンを臭気がしない状態に揮散させてから120℃乾燥オーブン中に1時間入れて乾燥せしめる。
こうして得られた油状オルガノポリシロキサンは無色透明粘性液体であった。得られたオイルの粘度(25℃)、IR3450cm −1 /2950cm−1吸収ピークの吸光度比の結果を表3にNMRシグナル解析の結果を表4に示した。なおNMRで2.12〜1.69ppmのシグナルがOHに基づく事の証明は、各々のモル比につき実施例1同様重水素置換により確認した。S520/S510の仕込モル比1/2、1/4、1/8で得られた油状オルガノポリシロキサンのIRチャートを図4、図5、図6に、NMRチャートを図7、図8、図9に示した。
【0034】
【表3】
Figure 0003584482
【0035】
【表4】
Figure 0003584482

【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られた油状オルガノポリシロキサンの赤外吸収図である。
【図2】実施例1で得られた油状オルガノポリシロキサンのNMRチャートである。
【図3】上記に同じ。
【図4】実施例2で得られた油状オルガノポリシロキサンの赤外吸収図である。
【図5】上記に同じ。
【図6】上記に同じ。
【図7】実施例2で得られた油状オルガノポリシロキサンのNMRチャートである。
【図8】上記に同じ。
【図9】上記に同じ。

Claims (4)

  1. 一般式[化1]で示される3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシラン
    Figure 0003584482
    と一般式[化2]で示される3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシラン
    Figure 0003584482
    を有機錫縮合触媒の存在下、親水性溶剤又は親水性溶剤と水の混合溶剤中にて触媒量の酸触媒にてシラン総モルの3〜4倍モルの水で共加水分解、縮合反応せしめる事を特徴とする常温で安定なるシラノール基と3−グリシドキシプロピル基を併せ持つオルガノポリシロキサン(ここでR,R1 ,R2 はC1 〜C8 の飽和炭化水素基である。)の製造法。
  2. 請求項1に記載の3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランのnモルと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランのmモルの比を1/1〜1/8の範囲で反応させて、式[化3]で示されるオルガノポリシロキサン
    Figure 0003584482
    を製造することを特徴とする請求項1に記載の製造法(ここで、RはC1 〜C8 の飽和炭化水素基であり、xは1.0から0.1の数、m,nは3以上の正の整数であってポリマー末端基はシラノール基である)。
  3. 3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランと3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランの共加水分解、縮合反応に先だって、3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランに酸触媒、有機錫縮合触媒及びシラン総モルの3〜4倍モルの水を加えて加水分解させた後に、所定モル比の3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランを加えて共加水分解縮合反応せしめることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のオルガノポリシロキサンの製造法。
  4. 3−グリシドキシプロピルアルキルジアルコキシシランが3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランまたは3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシランであり、3−グリシドキシプロピルトリアルコキシシランが3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランまたは3−グリシドキシプロピルトリエトキシシランである請求項1または請求項2に記載のオルガノポリシロキサンの製造法。
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