CN1334835A - 用于制备增强结晶度的共聚碳酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
结晶度增强、适合于固态聚合的共聚碳酸酯可通过在非反应条件下使非晶态前体聚碳酸酯如双酚A聚碳酸酯与可包括螺(双)茚满双酚和/或苯基茚满双酚,任选与聚氧亚烷基二醇熔融共混来制备。将所得共混物造粒,以及所得粒料的结晶度一般通过与链烷醇液体或蒸汽接触来增强。
Description
本发明的背景
本发明涉及共聚碳酸酯的制备方法,和更尤其涉及通过要求结晶度增强的方法来制备它们的方法。
例如在US专利4,948,871,5,204,377和5,214,073中公开了聚碳酸酯的固态聚合(下文有时为“SSP”),该公开内容在这里引入。它包括第一步形成前体聚碳酸酯,一般是通过二羟基芳族化合物如双酚A与碳酸二芳基酯如碳酸二苯酯的熔融聚合(即酯交换)形成预聚物;第二步增强预聚物结晶度;和第三步通过加热到在它的玻璃化转变温度和它的熔点之间的温度来增加结晶预聚物的分子量。该聚合方法因它的有效性和环境上的益处引起了人们越来越多的兴趣。
根据上述专利通过溶剂处理或加热处理进行该方法的第二步或结晶度增强步骤。如所述那样,溶剂处理方法事实上是使用对预聚物而言的良好或不良溶剂,预聚物与它的液体或蒸汽形式接触。示例性“溶剂”包括脂族芳族烃、醚、酯、酮和卤化脂族和芳族烃。让“溶剂”渗透到预聚物中有时被认为是重要的。发生渗透的增强结晶度的方法显然需要整个预聚物物料(mass)的结晶度增加至少5%的值(从粉末的X射线衍射图谱测定)。
近年来聚碳酸酯的一个主要应用领域是在光数据记录介质,包括由镭射唱片和在计算机中使用的CD-ROM盘来例证的光盘的制造上。在光盘上的数据通过与在垂直方向上偏振的相似参比光束相关的平面偏振激光束来阅读。为精确地阅读,必需使在穿过光盘后的这些激光束的相位延迟中的差别减至最小。
在光盘,尤其读写光盘和能够贮存大量数据的光盘的进一步开发中,各种物理因素变得重要。其中一个与光盘的贮存能力紧密相关的因素是它的双折射率,即在彼此垂直的两个方向上偏振的光的折射率之间的差异。双折射率具有几个组成因素,它们中的一些与制造光盘的聚碳酸酯的分子结构相关。
含有从苯基茚满醇(phenylindanol s),尤其6,6’-羟基-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺二茚满(下文称为“SBI”)和1,1,3-三甲基-3-(4-羟苯基)-5-羟基茚满(下文称为“CD-1”)和它们的异构体衍生的单元的共聚碳酸酯的特点在于比普通使用单体2,2-双(4-羟苯基)丙烷或“双酚A”的均聚碳酸酯的双折射率明显低。然而,已经很难通过SSP制备这些共聚碳酸酯,因为SBI或CD-1单元的存在显著抑制了结晶度的增强。
已经公开了其中使用单体如SBI的共聚碳酸酯成功地增强结晶度的方法。它包括以下步骤:将前体聚碳酸酯,最通常为双酚A均聚碳酸酯与其它结构单元如SBI的单体或聚合物源在通过反应促进所述结构单元引入的条件下接触以形成前体共聚碳酸酯,同时或随后使上述前体共聚碳酸酯或两种反应物之一转化成结晶度增强的聚碳酸酯。然而,该方法只有当所要结晶的材料为粉料形式时才能够始终顺利。因为聚合物作为粒料比作为粉料通常更便于处理,所以对于提供对粒料有效的结晶度增强方法很有兴趣。
本发明的概述
本发明提供了用于增强含有双折射率减少单元如SBI或CD-1单元的前体聚碳酸酯的结晶度的方法。该方法对粒料形式的前体聚碳酸酯是有效的。
本发明的一个方面是用于制备增强结晶度的聚碳酸酯前体混合物的方法,它包括在非反应条件下将基本由下式的结构单元组成的非晶态前体聚碳酸酯:其中A1和A2各独立是二价芳族基团和Y是其中一个或两个原子分隔A1与A2的桥接基团,与一种或多种二羟基有机单体熔融共混以形成单体-聚合物混合物,至少部分所述单体是下式的螺(双)茚满双酚:或下式的苯基茚满双酚:其中R1是氢或C1-4伯或仲烷基和n是0-2;将所述混合物造粒;和处理造粒的混合物以增强其中的聚合物的结晶度。
另一方面是用于制备共聚碳酸酯的方法,它包括如上所述制备结晶度增强的聚碳酸酯前体混合物,和通过固态聚合反应来聚合上述聚碳酸酯前体混合物。
详细描述;优选实施方案
在本发明方法中的必需起始原料是非晶态前体聚碳酸酯,它可以是均或共聚碳酸酯,条件是它基本上由式I的结构单元组成。也就是说,它不含有对应于作为根据本发明的混合物组分使用的任一种二羟基有机单体(包括式II和III的双酚)的单元。
在式I中,A1和A2一般是未取代的亚苯基或它的取代衍生物,示例性取代基(一个或多个)是烷基、链烯基和卤素(尤其溴)。未取代的亚苯基是优选的。A1和A2都优选是对亚苯基,尽管二者可以是邻或间亚苯基或者一个是邻或间亚苯基和另一个是对亚苯基。
桥接基Y是其中一个或两个原子分隔A1与A2的基团。优选的实施方案是其中一个原子分隔A1与A2的基团。这类的示例性基团是-O-、-S-、-SO-、-SO2-、亚甲基、环己基亚甲基、2-[2.2.1]双环庚基亚甲基、亚乙基、异亚丙基(异丙叉基)、亚新戊基、亚环己基、亚环十五烷基、亚环十二烷基和亚金刚烷基。偕亚烷基(烷叉基)是更优选的。还包括的是不饱和基团。由于可获得性和对本发明目的的特别适合性的原因,优选的式I单元是从双酚A衍生而来,其中Y是异亚丙基,A1和A2各是对亚苯基。
非晶态前体聚碳酸酯通常是通过熔体聚碳酸酯方法的第一步或通过二氯甲酸酯低聚物制备、随后水解和/或封端及分离所生产的那类聚碳酸酯低聚物。这种低聚物最通常具有根据凝胶渗透色谱法测定的以聚碳酸酯或聚苯乙烯为基准的在大约2,000-10,000范围内的重均分子量(Mw)和在大约0.06-0.30dl/g的特性粘度,这里的所有特性粘度值是在25℃的氯仿中测定。
前体聚碳酸酯还可以是相对高分子量的聚碳酸酯,一般具有在大约5,000-20,000范围内的重均分子量(Mw),为此它需要更进一步增加分子量;例如,直到在大约25,000-80,000范围内的值。例如,对于特定应用不合格的聚碳酸酯可以在增加它的分子量之前通过本发明的方法结晶,以便它们可以在其它应用中使用。
前体碳酸酯可以是支化的均或共聚碳酸酯,它通过线型聚碳酸酯或它的前体与支化剂如1,1,1-三(4-羟苯基)乙烷的反应来形成。支化共聚碳酸酯包括含有用来使耐溶剂性增加到最大限度的单元的低聚物和高分子量共聚碳酸酯。氢醌和甲基氢醌碳酸酯单元尤其适合于该目的,如在US专利4,920,200中公开的那样。这种单元一般占聚合物中总碳酸酯单元的大约25-50%。向支化均或共聚碳酸酯的转化可以在前体聚碳酸酯向结晶度增强的聚合物的转化之前进行或同时发生。
前体聚碳酸酯还可以是再循环的聚碳酸酯。它的初始制备方法是不太紧要的;即,可以使用最初通过界面聚合、熔融聚合或由二氯甲酸酯制备的再循环聚碳酸酯。
这种再循环材料一般具有由大约0.25-1.0dl/g范围内的特性粘度所显示的已经从最初聚合的材料降解的分子量。它可以从通过溶解在氯化有机溶剂如氯仿、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷中,随后进行不溶性材料的过滤或其它本领域公知的用于分离非聚碳酸酯成分的工序的废聚碳酸酯获得。其它类型的聚碳酸酯,如界面制备的聚碳酸酯和聚碳酸酯挤出机废物还可以作为前体使用。
在根据本发明的处理之前,将前体聚碳酸酯溶解在作为溶剂的氯化烃中也是在本发明的范围内,尤其当前体聚碳酸酯是再循环材料时。示例性氯化烃是二氯甲烷、氯仿、1,2-二氯乙烷、氯苯和邻二氯苯。氯脂族烃是优选的,其中二氯甲烷和1,2-二氯乙烷是最优选的。
前体聚碳酸酯在溶剂中的溶解可以在任一温度下进行。典型温度是从大约0℃到溶剂的沸点之间,一般大约20-100℃是优选的。只要使用有效溶解聚碳酸酯的溶剂量,它的比例不是关键的。
这种溶解一般留下了各种不溶性物质。本发明进一步考虑从聚碳酸酯溶液中去除所述不溶性物质。这可以通过传统操作如滗析、过滤和离心来达到。
再循环聚碳酸酯通常伴随有色杂质,它可以出现在聚碳酸酯本身中或出现于其在氯化溶剂中的溶液中。因此,本发明的各种实施方案包括在其它去除步骤之后的从非晶态聚碳酸酯溶液中去除颜色的步骤。用于脱色的一种方法是在仍处于溶液中时用无机酸,优选盐酸进行处理,所述酸一般溶解在链烷醇如甲醇中。另一种方法是将所述溶液与吸收发色体的固体,如活性炭或交联树脂接触,它可以是中性的或是离子交换树脂。又一种方法是用葡萄糖酸钠溶液洗涤。还有一种方法是在如下文所述的沉淀之后以足够溶解发色体的量使用非溶剂来洗涤树脂。
在大多数情况下,非晶态前体聚碳酸酯的溶液在结晶度增强之前是被除去任何溶剂的。通常理想的是,通过本领域公知方法如抗溶剂沉淀或蒸汽沉淀来从其中沉淀出前体聚碳酸酯。
在本发明方法的第一步中,非晶态前体聚碳酸酯与包括双折射率减少单体,尤其式II的螺(双)茚满双酚和式III的苯基茚满双酚的一种或多种二羟基有机单体熔融共混。这些结构式的优选化合物是SBI和CD-1,其中n是0;还可以使用它们的异构体,但不优选。最优选的是SBI。
除了双折射率减少物质以外的至少一种二羟基有机单体可以与前者结合使用。这些其它单体可包括加工性能改进单体,一般至少一种聚氧亚烷基二醇如聚乙二醇。
二羟基有机单体与非晶态前体聚碳酸酯熔融共混的比例是提供具有所需性能,一般是指低双折射率和/或高加工性能的共聚碳酸酯的有效比例。在大多数情况下,以大约5-40摩尔%的量使用式II或III的单体,以在非晶态前体聚碳酸酯中的结构单元为基础计。加工性能改进单体如聚乙二醇通常以大约1-10摩尔%的量存在,以在聚氧亚烷基二醇和前体聚碳酸酯中的结构单元为基础计。
非晶态前体聚碳酸酯和二羟基有机单体是在非反应条件下;即,在不促进它们之间的化学反应的条件下熔融共混。这样的条件是重要的,因为要求在该步骤中不将由该单体衍生的结构单元引入到聚碳酸酯中。
熔融共混可以通过任何已知的间歇或连续方法来进行。最通常的是,至少部分使用连续共混,尤其挤出。共混温度一般高达200℃,条件是保持非反应条件。
在这点上,应该注意的是,以前已把在大约170-250℃范围内的温度定义为“反应性”。“反应性”和“非反应性”条件的表面上的重叠是该条件的性质能够随所使用的单体显著改变的事实的结果,它的确切性质能够容易由本技术领域的那些技术人员用简单试验来测定。在单体如SBI和CD-1的情况下,在本发明的多次表征(timescharacteristic)的过程中和在高达200℃的温度下一般没有反应发生。
熔体共混步骤的产物是非晶态前体聚碳酸酯和所添加的单体的混合物。该混合物然后在本发明方法的第二步中通过普通造粒操作来造粒。
在第三步中,处理造粒混合物以增强它的结晶度。这可以通过任何已知方法,如在前述US专利4,948,871中公开的溶剂处理或加热处理来实现。它通常是方便的,通过在有效形成表面结晶聚碳酸酯的时间内和一般在至少75℃和进一步通过关系式Tc≥Tb-z,来规定的温度下使所述造粒混合物与至少一种非溶剂接触尤其可有效增强结晶度,所述非溶剂是水或是液体或蒸汽状态的C1-20链烷醇,而且不含碳酸二烷基酯,其中Tc是接触温度,Tb是在所使用的接触压力下链烷醇的沸点,二者均以℃为单位,以及z是常数,其中z的最大值是60。
结晶度还可以通过一般在大约110℃以上的温度下与在US专利5,717,056中公开的一种或多种催化剂接触来增强。引入上述两篇专利的公开内容作参考。所使用的催化剂包括碱金属氢氧化物和醇盐;季化双酚盐;四烷基铵氢氧化物、醇盐和羧酸盐;和四烷基鏻氢氧化物、醇盐和羧酸盐。然而,在大多数情况下,催化剂的存在是不必要的和不是优选的。
结晶度增强步骤的效果是使在混合物中的聚碳酸酯前体发生部分结晶。它足以仅使聚碳酸酯前体混合物的粒料的外壳结晶。
本发明的通常优选方面包括在结晶增强之后的SSP反应。SSP反应可以在前体聚碳酸酯的玻璃化转变温度以上的温度和在它的熔点以下的温度下进行。一般,在大约150-270℃和尤其大约180-250℃的范围内的温度是适合的。如在前述US专利4,948,871,5,204,377和5,717,056中公开的那样,SSP可以在至少一种催化剂的存在下进行。适合的催化剂包括在本技术领域中已知在这类聚碳酸酯反应如熔融聚合、再分配、平衡化和固态聚合中有效的那些。然而,本发明不需要催化剂,它们的存在常常是不优选的。
SSP反应的产物是比前体聚碳酸酯分子量更高的共聚物或三元共聚物,其中所添加的单体已经被引入到它的链中。
固态聚合可以在能够产生紧密气-固接触的混合机,如固定床、流化床或桨式混合机中进行,如果使用流化床的话,在与用作流化气体的惰性气体如氮气或氩气接触中进行。所述惰性气体可以用于流化混合物以及挥发和去除副产物(包括作为副产物形成的水、羟基芳族化合物和任何挥发性碳酸酯)等目的中的一个或两个。理想地使用程控加热。作为紧密气-固接触的条件的供选择方案,聚合可以在减压,一般低于大约100托下进行,优选在有效混合的情况下。
以下通过实施例来说明本发明。Mw值通过以聚苯乙烯为基准的凝胶渗透色谱法来测定。
实施例1
1kg份量的通过双酚A与碳酸二苯酯的酯交换反应制备的、Mw为大约8,000的非晶态双酚A聚碳酸酯低聚物与100g的SBI在亨舍尔混合机中共混。所得共混物在180℃的双螺杆挤出机中挤出。将挤出物造粒,所得粒料暴露到100℃的甲醇蒸汽中1小时。所得结晶度增强的材料通过在流化床反应器中在180℃加热2小时,在200℃加热2小时,在210℃加热2小时,在220℃加热2小时,在230℃加热2小时和在240℃加热6小时来经历SSP条件。所得共聚碳酸酯具有31,100的Mw,148.7℃的Tg和245℃的起始熔化温度。
实施例2
在亨舍尔混合机中在100℃下将Mw为大约52,000的商购双酚A聚碳酸酯与SBI和Mw为大约400的PEG共混以形成双酚A、SBI和PEG的比例为79∶18∶3的粉料,其中PEG比例按400的分子量计来计算。所得混合物在180℃的双螺杆挤出机中挤出,造粒,结晶和如实施例1所述那样聚合,产生了Mw为38,200和Tg为138℃的三元共聚碳酸酯。
Claims (24)
2、根据权利要求1的方法,它在没有催化剂的情况下进行。
3、根据权利要求1的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是双酚A聚碳酸酯。
4、根据权利要求1的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是聚碳酸酯低聚物。
5、根据权利要求1的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是高分子量聚碳酸酯。
6、根据权利要求1的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是支化的均聚或共聚碳酸酯。
7、根据权利要求1的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是再循环的聚碳酸酯。
8、根据权利要求1的方法,其中二羟基有机单体包括6,6’-羟基-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺(双)茚满。
9、根据权利要求1的方法,其中二羟基有机单体进一步包括至少一种聚氧亚烷基二醇。
10、根据权利要求9的方法,其中聚氧亚烷基二醇是聚乙二醇。
11、根据权利要求2的方法,其中结晶度增强包括将所述粒料暴露到链烷醇的液体或蒸汽中。
12、根据权利要求11的方法,其中链烷醇是甲醇,所述粒料与所述甲醇的接触是在至少75℃和进一步由下面的关系式定义的接触温度下进行:
Tc≥Tb-z其中Tc是接触温度,Tb是在所使用的接触压力下链烷醇的沸点,二者均以℃为单位,以及z是常数,其中z的最大值是60。
14、根据权利要求13的方法,其中结晶度增强在没有催化剂的情况下进行。
15、根据权利要求13的方法,其中非晶态前体聚碳酸酯是双酚A聚碳酸酯。
16、根据权利要求13的方法,其中二羟基有机单体包括6,6’-羟基-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺(双)茚满。
17、根据权利要求13的方法,其中二羟基有机单体进一步包括至少一种聚氧亚烷基二醇。
18、根据权利要求17的方法,其中聚氧亚烷基二醇是聚乙二醇。
19、根据权利要求13的方法,其中结晶度增强包括将所述粒料暴露到链烷醇的液体或蒸汽中。
20、根据权利要求19的方法,其中链烷醇是甲醇,所述粒料与所述甲醇的接触是在至少75℃和进一步由下面的关系式定义的接触温度下进行:
Tc≥Tb-z
其中Tc是接触温度,Tb是在所使用的接触压力下链烷醇的沸点,二者均以℃为单位,以及z是常数,其中z的最大值是60。
21、由权利要求1的方法制备的聚碳酸酯前体混合物。
22、由权利要求13的方法制备的聚碳酸酯。
23、包括权利要求22的聚碳酸酯的制品。
24、由权利要求20的方法制备的聚碳酸酯。
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