JP2003523429A - ポリカーボネートの製造法 - Google Patents
ポリカーボネートの製造法Info
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Abstract
Description
末端封鎖度の高いポリカーボネートの効率的な製造方法に関する。
は反応速度及び連鎖生長を低下させてしまう。かかるフェニル封鎖反応の発生頻
度が高いと、封鎖反応の発生頻度の少ない組成物に比べ、組成物中のポリマー分
子の平均鎖長が短くなる。そのため、高分子材料の性質は生長反応の停止したポ
リマーの割合に関連する。「末端封鎖度」はこの割合の定量的尺度であり、百分
率で表される。末端封鎖度は、反応性ヒドロキシ基末端(非封鎖)鎖の数を求め
、残りの鎖末端が封鎖されているものとみなすことで導かれる。かかる決定は、
分光学的測定で行うことができる。末端封鎖度(E/C%)は次式で与えられる
。
ェノールA(すなわち、4,4′−ジヒドロキシジフェニル−2,2−プロパン
、BPA)のような芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジフェニル(DPC)のよ
うな炭酸ジエステルとの溶融重縮合によるものがある。このタイプの従来の製造
法では、反応体を順次、溶融混合物又は反応体を形成する条件、低分子量プレポ
リマーを形成する条件、低分子量プレポリマーから最終生成物を形成する条件に
付す。この段階的な処理法は、特徴が十分に規定されたばらつきのない生成物の
生産を容易にする。例えば、ポリカーボネートは図1に示すような多段反応器系
で製造することができ、まず、混合段階(MD)で反応体のBPAとDPCを水
酸化テトラアルキルアンモニウムや塩基性アルカリ金属触媒のような触媒と混合
する。この混合段階では、反応体と触媒を混合し、加熱してメルトを形成する。
このメルトを次に第1反応器(1R)に送り、そこでBPAとDPCのエステル
交換反応を起こしてプレポリマーの形成を開始する。この第1反応器で得られる
生成物は主に小さな縮合生成物(オリゴマー)と未反応原料である。第2反応器
(2R)では、所期生成オリゴマーの反応が継続され、その結果、形成されるオ
リゴマーの大きさが大きくなる。第2反応器の後、メルトは、二軸攪拌式重合器
のような第1重合器(1P)に送られる。この重合器では、プレポリマーを第1
重合温度(例えば290℃で)で所定時間(5分間など)処理する。この処理の
結果、残留触媒を含んだポリカーボネート生成物が形成される。この触媒は残留
したままにしておくと最終製品の特性を損なうおそれがあるので、触媒を中和す
る奪活剤を加え、奪活生成物を第2重合器に供給し、そこで、未反応残留モノマ
ーを蒸発させて最終処理を行い、低粘度(例えばIV≒0.35g/dl、Mn
≒8500g/mol)ポリカーボネート生成物を得る。
ol)生成物のいずれも製造できるようにポリカーボネート生産設備のフレキシ
ビリティーを増すため、図2に示すような2つの選択式第2重合器を利用する処
理スキームを用いることもできる。この場合、第2重合器2aPの生成物流は図
1に示す一連の工程の生成物流と実質的に同じである。しかし、もう一つの第2
重合器2bPに供給される生成物流は奪活されず、この重合器での処理により生
成物の大きさはさらに増大し、中粘度生成物が得られる。
かかる末端封鎖度は多くの用途に適している。しかし、光ディスクの製造のよう
なある種の用途には、帯電防止性を始めとする所望の特性を達成すべく90%を
上回るばらつきのない末端封鎖度を有する低粘度ポリカーボネートが必要とされ
る。ばらつきがなく制御された高末端封鎖度を提供しつつ、ポリカーボネートを
効率的に製造する方法は未だ存在しない。
の製造方法を提供することである。
粘度・平均的末端封鎖生成物のいずれかを溶融縮合法で製造するための分流処理
法を提供することである。
の反応によってポリカーボネートを製造する方法を提供する。この方法では、第
1反応段階、第2反応段階及び少なくとも第1重合段階で溶融状態の炭酸ジアリ
ールと二価フェノールを逐次処理する工程を利用し、所望の低粘度/高末端封鎖
生成物が得られるように処理条件をシフトする。これは、第1反応段階前の溶融
状態の炭酸ジアリールと二価フェノールの比が1.08以上となるようにすると
ともに、250℃におけるメルトフローレートが10g/分を上回り末端封鎖度
が90%以上のポリカーボネート生成物が得られるように第1重合段階の温度及
び滞留時間を制御することによって達成される。本発明の一実施形態では、初期
DPC/BPA比が1.137のメルトを、温度を8.3〜9.4分間307〜
309℃の温度に維持した第1重合段階に通して処理する。
発明の方法は、2種類以上の生成物の同時生産用の多重製造プロセスに組み込む
こともできる。例えば、第1重合段階で生成した生成物の流れを2以上のライン
に分けて、例えば各々低粘度・高末端封鎖生成物と中粘度・中末端封鎖生成物を
生成せしめるべくさらに処理することができる。
るとともに、第1重合段階での処理条件、特に温度及び滞留時間を制御すること
によって、低粘度・高末端封鎖度という望ましい特性を有するポリカーボネート
を製造する。この第1重合器で生成したポリカーボネートは、仕上げ処理して低
粘度・高末端封鎖生成物としてもよいし、或いはさらに処理して中粘度・中末端
封鎖生成物としてもよい。
メルトフローレート(MFR)が10g/分を上回る組成物をいい、「中粘度」
という用語は300℃でのメルトフローレート(MFR)が10〜30g/分の
範囲内にある組成物をいい、「高粘度」という用語は300℃でのメルトフロー
レート(MFR)が10g/分未満の組成物をいい、「高末端封鎖」という用語
は90%以上の末端封鎖度をいい、「中末端封鎖」という用語は80〜90%の
末端封鎖度をいい、「低末端封鎖」という用語は80%未満の末端封鎖度をいう
。
の例として用いる。これは便宜上のものにすぎず、DPCとBPAがポリカーボ
ネート生産に用いられる最も一般的な反応体であることを反映したものである。
本発明はこれらの出発材料に限定されるものではない。
合段階での滞留時間という3つのプロセス条件を注意深く調和させることに依拠
する。本発明の実施のための条件の組合せは調和して作用することで望ましい結
果を与えるが、これらの条件を独立して使用しても望ましい生成物は得られない
。例えば、第一の処理条件のDPC/BPA比はDPCが過剰に存在するように
制御されるが、これは低粘度・高末端封鎖生成物の生成に有利な条件である。第
二の処理条件の第1重合器での温度は、実際には、従来のポリカーボネート製造
よりも高いレベルに設定される。この温度増加は、単一パラメーターとして考え
ると、反応器内での重合の確率を高めるので低粘度/高末端封鎖生成物の生成と
いう所望の結果とは反対に作用する。第三の処理条件の第1重合段階での滞留時
間は従来の滞留時間よりも長い。このパラメーターは、反応時間が長くなるので
、長鎖・高粘度ポリマーに有利である。このように、単独でみると、この変化も
所望の結果に反する。しかし、後の実施例に示す通り、これらの条件の調和によ
って、低粘度・高末端封鎖ポリカーボネートの効率的な生産が可能となる。
めの線形製造法である。この方法を図1に示す製造プラントの略図を参照して説
明する。このプロセスの第1段階つまり混合段階で、ミキサー(MD)内でDP
CとBPAを触媒と混合し、加熱してメルトを形成する。適当な触媒には、特に
限定されないが、NaOH、NaH2PO3その他公知のアルカリ性リン触媒があ
る。NaOHは数多く用途に使用できる。NaH2PO3は、反応時のフリース(
Fries)生成物の生成量を最小限に抑制するのが望まれる場合に、好適に用
いられる。
れよりも小さい(すなわち、従来の1:1比に近い)と、末端封鎖度の増大が不
十分で望ましい低粘度・高末端封鎖生成物が生成しなくなる。一方、上限はさほ
ど重要でなく、実用上の要件によって決定されるが、これは製造設備毎に異なる
であろう。例えば、この比が高すぎると、生成物は役立たないほど低粘度のもの
となり、その影響は重合段階でのプロセス変更で相殺できないことがある。大抵
は、望ましいDPC/BPAは1.08〜1.2の範囲に入る。
応器は好適には連続攪拌槽型反応器である。
空度100〜250mbar、滞留時間45〜90分である。
の反応器における条件は、温度250〜280℃、圧力/真空度15〜50mb
ar、滞留時間20〜60分である。
る。1Rの処理条件は、1)低温でのポリカーボネートの結晶化、2)高いDP
C蒸発速度によるDPC/BPA比の不均衡、及び3)過度のフェノール気化に
よる低粘度オリゴマーの発泡及び飛沫同伴という3つの現象によって制約される
。1R及び2Rにおける温度、真空度及び滞留時間は、所与の容器サイズでこれ
らの現象を至適化できるレベルに設定する。ただし、容器のデザイン及び大きさ
が異なれば、所望のレベルの初期重合を達成することができることもあるので、
複数の反応器の使用は必須ではない。
従って低粘度・高末端封鎖生成物が得られるように調節する。具体的には、第1
重合器1Pの温度は、BPAとDPCからポリカーボネートを製造するための従
来プロセスよりも高く、例えば296℃よりも高く、好ましくは307〜311
℃の範囲内、さらに好ましくは307〜309℃の範囲内にある。
の増加は、理論上は、一定の反応器サイズでスループットを低減するか或いは第
1重合器のサイズを変更することによって達成できるが、実際問題として現実的
に利用できるのは前者のみである。しかし、滞留時間の正確な数的範囲を規定す
るのは困難である。使用可能な範囲は利用し得る最高温度によってある程度左右
されるからである。所定の滞留時間及び所定の重合器体積については、望ましい
反応の起こる明確に規定される温度がある。滞留時間が短いほど、温度は高くす
べきであるが、温度は建造用材料及び加熱システムの能力によって制限されるの
で温度を無限に上げることはできない。一方、滞留時間が長いと、低い温度を使
用できるが、滞留時間が長いほど必然的に生産速度は低下するので、商業設備で
は実用的でない。スループット3000kg/時で操業されるホールドアップ体
積0.444m3の重合器の場合、第1重合器内の適当な滞留時間は約5〜10
分程度、好ましくは8.3〜9.4分である。ホールドアップ体積は、高粘度重
合器で用いられる滞留時間の指標である。ホールドアップ体積は、ウェットポリ
マー体積とブレード内に保持されたポリマーの体積との合計として定義される。
これは通常はシャフト中心下の体積の一部であり、ブレードの幾何学的形状、粘
度及び攪拌機先端速度の関数である。実際は、適度な表面更新と最適なフェノー
ル除去が確保されるので、このホールドアップ体積を一定に保つ。
の目的に有用な奪活剤は当技術分野で公知であり、p−トルエンスルホン酸のブ
チルエステルが挙げられる。奪活剤は好適にはアルカリ金属触媒の(モル基準で
)1〜6倍の量で添加される。第2重合器2Pにおけるプロセス条件は従来の慣
行と同じであり、例えば温度は280〜290℃である。第2重合器2Pで生ず
る生成物は高末端封鎖・低粘度生成物である。
。真空に引くと、遊離フェノールその他の揮発性副生物の除去効果がある。真空
は末端封鎖度の変化を引き起こすために意図的に用いられるものではない。しか
し、真空は粘度の迅速な補正をもたらす。一般に認められた製造慣行は、粘度調
節に十分な余地を与え得る最低値に真空度を保つことである。例えば、第1重合
器の圧力は好適には5.25×10-3Pa(0.7torr)〜1.5×10-2 Pa(2torr)に維持され、好ましくは5.25×10-3Pa(0.7to
rr)〜6.75×10-3Pa(0.9torr)に維持される。
の第一段階でのみ示してある。図3は本発明の別の実施形態を示すもので、Na
H2PO3のようなアルカリ性リン触媒は反応器1R及び2R及び第1重合器1P
の前でも添加される(すなわち、触媒はa、b、c、dの各時点で添加される)
。このようにプロセスラインの幾つかの地点で触媒を連続的に導入して操業する
と、最終生成物中のフリース枝分れ量が低減する。触媒は、二価フェノールの量
を基準にして、好適には70〜120ppbの量で添加され、好ましくは約10
0ppbの量で添加される。
ない。例えば、所望に応じて、線形処理スキームにおいて奪活剤添加前に追加の
重合器を設けてもよい。こうすると、小さな装置を使用できるようになり、また
所定のサイズの装置についてはスループットを低減せずに滞留時間を延ばすこと
ができるようになる。
ら仕様の異なる製品を生産できることが望ましい。そのため、図1に示し上記で
説明した高末端封鎖・低粘度ポリカーボネートの基本的製造法を一段と複雑な製
造スキームに組み込めることが重要である。こうした場合の本発明の各種実施形
態を図2及び図4に示す。
2種類の生成物を製造するための処理スキームを示す。プロセスは第1重合器を
通して上記と同様に運転される。ただし、第1重合器から出る生成物流を2つの
部分に分ける。一部は奪活剤と混合して第2重合器2aPに送り、図1に示すよ
うな高末端封鎖・低粘度生成物を製造する。残りの部分は追加BPA及び/又は
DPCと混合し、奪活剤を加えずに第2重合器2bPで処理する。DPC及び/
又はBPAは好適には5重量%以下の量で添加される。添加後の組成物中のDP
Cの量は0%〜100%とすることができる。第2重合器2bPは好適には、温
度280〜290℃、圧力/真空度0.2〜1mbarであり、滞留時間15〜
30分という条件下で操作される。
施することもできる。かかる処理スキームを図3に示す。
も重要なパラメーターは、基礎単位(すなわち、BPA単独又はこれとDPCと
の組合せ)の後期添加である。基礎単位の後期添加は望ましい末端封鎖度及び粘
度を得るのに有利である。基礎単位の後期添加は末端封鎖度を低下させ、既に存
在する混合物の重合を中粘度範囲までさらに進めるからである。例えば、追加B
PAを添加すると第1重合器1Pの出口でフェニル末端基の数が増大し、2Pb
での反応性が幾分増す。ただし、BPAの熱不安定性のため、熱安定性の比較的
高いBPAとDPCの混合物を使用する方が実用的であることもあろう。適当な
混合物は、混合ドラム(MD)で用いたものと同じ組成である。別法として、第
1及び第2反応器1R、2Rで生じたオリゴマー生成物(ヒドロキシル基を60
〜65%有するもの)をこの目的に使用することもできよう。
同様の結果を達成することができる。実施例5で例示する通り、第2重合器の温
度を約295℃〜約305℃に高めると、生成物を中粘度ポリマーへと効果的に
変質させることができる。これは、様々な用途に適合したある範囲の粘度をもつ
高末端封鎖生成物の製造に有用な方法を提供する。
条件下で実施した。公知の通常の操作技術との主な相違点は、DPC/BPA比
が高く(1.07に対して1.137)、第1重合器の温度を高める(295℃
に対して309℃)とともに滞留時間を長くした(5.46分に対して9.41
分)ことである。定常状態の条件を確保するため、5時間後にポリマーを押出し
てペレット化した。表1から分かる通り、得られたペレットは高い末端封鎖(9
3〜96%)と低い粘度(メルトフローレート(MFR)10〜12g/10分
)を呈し、本発明の有効性を十分に実証した。対照的に、通常の条件下で同じラ
インで製造したポリカーボネートは末端封鎖度80〜85%、メルトフローレー
ト10〜12g/10分であった。
0.1〜0.3%)と共にASPEN(登録商標)Polymer−Plus
9.3−2重合モデルを用いた一連のシミュレーションの結果、表2に示す通り
分子量が漸進的に増大する材料が得られた。
件下で実施した。ただし、この実施例では、典型的な量の従来触媒(NaOH)
を、新型アルカリ性リン系触媒(NaH2PO3+NaOH)を配合タンクに加え
た。定常状態の条件を確保するため、8時間後にポリマーを押出してペレット化
した。
封鎖比(93〜96%)と低い粘度(250℃のMFR10〜12g/10分)
を呈し、本発明の有効性を実証した。ただし、アルカリ性リン触媒を用いると、
フリース生成物の濃度が従来の触媒(1350ppm)に比べ30%低下した(
930ppm)。
は、第2重合器(2P)の下流で奪活してこれを追加の重合器として使用できる
ようにした。この場合、2Pは追加の第1重合器(1′P)の効果を模擬する。
操作条件を表4に示す。定常状態の条件を確保するため、8時間後にポリマーを
押出してペレット化した。表4から分かる通り、得られたペレットは高い末端封
鎖比(91〜93%)と低い粘度(MFR9〜11)を呈し、本発明の有効性を
実証した。
にするモノマー又はオリゴマーの後期添加に代わる方法として、重合器2Pbの
温度を上げてプロセスを実施した。図2に示すタイプの分流処理スキームでの重
合を模擬すべく、ロットX−175(実施例3)のバッチを第1重合器1Pの後
で回収した。第2重合器の前は奪活剤を材料に加えず、追加の基礎単位は加えな
かった。その代わり、標準的操作よりも第2重合器2Pの温度を高めて組成物を
処理した。実施例3と同様、アルカリ性リン系触媒を配合タンクに加えた。定常
状態の条件を確保するために、8時間後にポリマーを押出してペレット化した。
分かる通り、得られたペレットは高い末端封鎖比(93〜96%)と中粘度(3
00℃のMFR27〜29g/10分)を呈し、本発明の有効性を実証した。ま
た、第2重合器2Pの温度を高めると生成物の粘度の上昇に有効であることが分
かるが、第1重合器では温度上昇を含めた処理条件のシフトによって逆の効果が
達成される。このように、本発明では所望の結果を達成すべくプロセスパラメー
ターを複雑かつ非自明なバランスを活用していることが分かる。
Claims (15)
- 【請求項1】 1以上の反応段階及び少なくとも第1重合段階で溶融状態の
炭酸ジアリールと二価フェノールを逐次処理する工程を含んでなる、炭酸ジアリ
ールと二価フェノールとの反応によってポリカーボネートを製造する方法であっ
て、 (a)第1反応段階前の溶融状態の炭酸ジアリールと二価フェノールの比が1.
08以上であり、 (b)第1重合段階の温度及び滞留時間を、250℃におけるメルトフローレー
トが10g/分を上回り末端封鎖度が90%以上のポリカーボネート生成物が得
られるように選択する ことを特徴とする前記方法。 - 【請求項2】 第1重合段階の温度が296℃以上であることを特徴とする
、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 第1重合段階の温度が308〜311℃の範囲内にあること
を特徴とする、請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 第1重合器の滞留時間が5.5分以上であることを特徴とす
る、請求項3記載の方法。 - 【請求項5】 第1重合器を5.25×10-3〜1.5×10-2Pa、好ま
しくは5.25×10-3〜6.75×10-3Paの圧力に維持することを特徴と
する、請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 第1重合器の滞留時間が5.5分以上であることを特徴とす
る、請求項2記載の方法。 - 【請求項7】 第1重合器を5.25×10-3〜1.5×10-2Pa、好ま
しくは5.25×10-3〜6.75×10-3Paの圧力に維持することを特徴と
する、請求項2記載の方法。 - 【請求項8】 第1重合器の滞留時間が5.5分以上であることを特徴とす
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項9】 第1重合器を5.25×10-3〜1.5×10-2Pa、好ま
しくは5.25×10-3〜6.75×10-3Paの圧力に維持することを特徴と
する、請求項1記載の方法。 - 【請求項10】 第1重合段階を複数の重合器で実施することを特徴とする
、請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 メルトの処理の種々異なる時点で追加の触媒を添加するこ
とを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 【請求項12】 第1重合段階の生成物を少なくとも第1の流れと第2の流
れとを含む複数の流れに分け、低粘度・高末端封鎖生成物を生じさせるため第1
の流れをさらに処理し、中粘度・中末端封鎖生成物を生じさせるため第2の流れ
をさらに処理することを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 【請求項13】 追加の炭酸ジアリール及び/又は二価フェノールを第2の
流れに添加することを特徴とする、請求項12記載の方法。 - 【請求項14】 第1重合段階の生成物を少なくとも第1の流れと第2の流
れとを含む複数の流れに分け、低粘度・高末端封鎖生成物を生じさせるため第1
の流れをさらに処理し、高温の第2重合器で処理することにより中粘度生成物を
生じさせるため第2の流れをさらに処理することを特徴とする、請求項1記載の
方法。 - 【請求項15】 請求項1記載の方法で製造されたポリカーボネート。
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