JP4368303B2 - カップリングしたスチレン性ブロックコポリマーおよびそれを調製する方法 - Google Patents

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Description

本発明はスチレン性ブロックコポリマーおよびそれを調製する方法に関する。本発明は特にカップリングしたスチレン性ブロックコポリマーおよびそれを調製する方法に関する。
ブロックコポリマーの調製はよく知られている。合成方法においては、1つのモノマーの重合を開始するのに開始剤化合物が使われる。その反応はそのモノマーがすべて消費されてリビングホモポリマーになるまでそのまま進められる。このリビングホモポリマーに第1のモノマーとは化学的に異なる第2のモノマーが加えられる。第1のポリマーのリビング末端は引き続く重合のサイトとして働き、それによって第2のモノマーが異なるブロックとしてこの線状ポリマーに組み込まれる。そのようにして成長したブロックポリマーは停止させるまでリビングである。
停止反応によりブロックコポリマーのリビング末端が成長しない種に変換され、それによってポリマーが追加のモノマーに対して反応性のないものになる。このように停止させられたポリマーは一般にジブロックコポリマーと呼ばれる。あるいは、リビングブロックコポリマーは一般的にカップリング剤と呼ばれる多官能性縮合剤と反応させることができる。リビング末端をカップリングすると少なくとも2つの枝を持った放射状ポリマーが生じ、この枝は一般的に当技術分野で「アーム」と呼ばれている。
このようにして得られたブロックコポリマーは少なくとも2本のアームを持つことができ、ある種の応用例においては3本、4本、またはさらに多くのアームを有することが好ましい。たとえば、一般にはアスファルトとも呼ばれる瀝青は、広範囲な応用分野で使用される費用効率の高い熱可塑性の物質である。しかし、特により高度な応用分野においては、通常の瀝青の性能では温度感受性が高すぎるという欠点がある。瀝青は低温においては硬く脆すぎるし、暑い気象条件においては柔らかすぎることが多い。
3本、4本またはそれ以上のアームを持ったブロックコポリマーを瀝青中に混ぜ込むと瀝青道路、走路、競争路、および屋根葺き材料への応用例において、平均寿命を延ばし、かつ保守の必要性を減らすことによって著しく性能を高めることができる。そのようなブロックコポリマーを瀝青に添加すると改質した瀝青に著しく優れた性質がもたらされる。たとえば、そのような改質した瀝青は低温でも高温でもはるかに弾力に富むようにできる。
瀝青にそのようなブロックコポリマーを使用することの利点はよく知られているが、そのようなブロックコポリマーを使用するのは問題がないわけではない。たとえば、カップリング方法において、作られるアームの数は3本や4本に限られるわけではなく、さらに5本あるいはそれ以上となる可能性がある。本発明においては、「5あるいはそれ以上」および「5より大きいか5に等しい」という用語は5+と表現する。ブロックコポリマーのアームの数が4を越える(つまり=5+)と、物理的性質や性能的性質を改良するために瀝青にそういうブロックコポリマーを入れることによるメリットよりもそれによって起こる処理の困難さの方が上回るようになり始める可能性がある。たとえば、5本のアームを持ったポリマーは3本のアームを持ったポリマーに比べて瀝青の粘度の相当大きな上昇をもたらす。
本発明の一目的は、3本および4本アームの含有率を増やし、5本およびそれ以上のアームの含有率を減らしたブロックコポリマーを製造する方法を提供することである。さらなる目的は、著しい処理の困難を引き起こすことなく改質した瀝青の物理的性質を改良するための瀝青の処理において使用されうる組成物を提供することである。
一態様においては、本発明は一般式が(AB)Xである放射状のスチレン性ブロックコポリマーである。上式において(i)Aはスチレンのブロックであり、(ii)Bはジエンのブロックであり、(iii)Xはジエステルカップリング剤の残基であり、(iv)nはジエステルカップリング剤の残基に結合したスチレン性ブロックコポリマーのアームの数であり、(v)スチレン性ブロックコポリマーのアーム(AB)の分子量は約2,000ダルトン〜約300,000ダルトンであり、(vi)n=5+のポリマーの重量百分率は約8%未満である。
別の態様においては、本発明は(a)適当な溶媒中でスチレンモノマーおよびジエンモノマーを有機置換アルカリ金属化合物であるアニオン重合開始剤と接触させてリビングポリマーセメントを形成すること、(b)前記セメントに、重合中または重合後に、アルキル金属化合物のアルキル基がリビングポリマーの連鎖末端と交換しないように選択され、アルキル金属化合物がアルキル置換基1個当たり1〜20個の炭素原子を有する、アルキルアルミニウム、アルキル亜鉛、およびアルキルマグネシウムからなる群から選択されたアルキル金属化合物を、リビングポリマー連鎖末端1当量当たり約0.01〜約1.5当量加えること、ならびに(c)リビングポリマーをカップリングするのに十分な反応条件で前記セメントにジエステルカップリング剤を加えることを含む、放射状のスチレン性ブロックコポリマーの調製方法である。
さらに別の態様においては、本発明は一般式(AB)X[式中(i)Aはスチレンのブロックであり、(ii)Bはジエンのブロックであり、(iii)Xはジエステルカップリング剤の残基であり、(iv)nはジエステルカップリング剤の残基に結合したスチレン性ブロックコポリマーアームの数であり、(v)スチレン性ブロックコポリマー鎖(AB)の分子量は約2,000ダルトン〜約300,000ダルトンであり、(vi)n=5+のポリマーの重量百分率は約8%未満である]の放射状スチレン性ブロックコポリマーと瀝青との混合物を含む改質した瀝青である。
本発明のブロックコポリマーは放射状であり、一般式(AB)Xを有する。この一般式において、Aはビニル芳香族ポリマーブロックを表し、Bは場合によっては水素化されている共役ジエンのポリマーブロックを表し、Xはカップリング剤の残基を表し、nは1より大きく、好ましくは2〜10、さらに好ましくは2〜5、最も好ましくは2〜4である。
本発明のブロックコポリマーはくさび形ブロック構造を持っていてもよい。各ブロックは主としてただ1つの成分、AまたはBを含有すべきである。主たる成分でない成分の存在は5重量%未満であるべきであり、さらに好ましくは2重量%未満であるべきである。最も好ましくは各ブロックはただ1つのあるいは本質的にただ1つの成分すなわちAまたはBを含んでいるべきである。
本発明のブロックコポリマーは溶液アニオン重合の技術を使用して調製される。この方法を使用して、コポリマーは、モノマーまたは複数のモノマーを同時にあるいは逐次、IA族金属、そのアルキル誘導体、アミド誘導体、シラノレート誘導体、ナフタリド誘導体、ビフェニル誘導体、アントラセニル誘導体などのアニオン重合開始剤と接触させて重合させて調製される。適当な溶媒中で約−150℃〜約150℃の範囲の温度、好ましくは約−70℃〜約100℃の範囲の温度で有機アルカリ金属(リチウムまたはナトリウムまたはカリウムなど)化合物を使用するのが好ましい。特に有効なアニオン重合開始剤は次の一般式を持つ有機リチウム化合物である。
RLi
式中、Rは1〜約20個の炭素原子を有する脂肪族、脂環式、芳香族またはアルキル置換芳香族炭化水素基であり、nは1〜4である。有機リチウム開始剤は高い温度における安定性が高いので比較的高い温度における重合に好ましい。
本発明の方法の重合は、好ましくは炭化水素溶媒中でアルキル金属を添加する前に20℃〜90℃の温度にして実施される。適当な溶媒にはペンタン、ヘキサン、オクタンなど直鎖もしくは分岐の鎖状炭化水素、およびそれらのアルキル置換誘導体;シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、などの脂環式炭化水素およびそれらのアルキル置換誘導体;芳香族およびそのアルキル置換誘導体、ベンゼン、ナフタレン、トルエン、キシレンなどの芳香族およびアルキル置換芳香族炭化水素;テトラリン、デカリンなどの水素化芳香族炭化水素;ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどの線状および環式エーテル類が含まれる。
上述のアニオン重合方法において、リビングポリマー鎖、溶媒、副生物などの混合物が生成するが、以後これをポリマーセメントと称す。本発明はリビングポリマー連鎖末端の当量当たり約0.01〜約1.5当量、より好ましくは、約0.9:1〜約l.1:1当量のアルキル金属化合物を、重合中または重合後にこのセメントに加えることを含む。またアルキル金属をジエン重合の後期の段階において加えるのが好ましい、それはその時点がポリマーセメントの粘度が重要な問題となる可能性のある時点だからである。好ましくはアルキル金属はジエン重合の50%が終わった後で、さらに好ましくはジエン重合の70%、最も好ましくは90%が終わった後で加えられる。アルキル金属を加えると所与の温度では重合速度が低下するが熱停止反応の速度も極めて有意に低下する。従って、残りの重合を少なくとも90℃、好ましくは100℃〜120℃の温度で実施するのが好ましい。好ましい方法においては、重合温度はアルキル金属の直前に約90℃〜100℃に上げられる。
本発明の方法の実施において、アルキル金属化合物のアルキル基はリビングポリマーの連鎖末端と交換することのないように選択されることが好ましい。この目的を達成するために、アルキル金属化合物はアルキル置換基当たり1個〜20個の炭素原子を有するアルキルアルミニウム、アルキル亜鉛およびアルキルマグネシウムからなる群から選択される。好ましくは、アルキル金属はトリアルキルアルミニウム、ジアルキルマグネシウム、ジアルキル亜鉛化合物である。好ましいトリアルキルアルミニウム化合物はトリエチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリ−n−プロピルアルミニウム、トリ−n−ブチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリ−n−ヘキシルアルミニウム、トリオクチルアルミニウムからなる群から選択される。トリエチルアルミニウムが最も好ましい。好ましいジアルキルマグネシウム化合物はブチルエチルマグネシウム、ジ−n−ブチルマグネシウム、ジ−n−ヘキシルマグネシウムである。好ましいジアルキル亜鉛化合物はジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、ジ−n−プロピル亜鉛、ジイソブチル亜鉛、ジ−nブチル亜鉛である。
ブロックコポリマーの製造においてこれらの物質を使用することはWillisらの米国特許第6,391,981号の主題である。その中で、そのような物質を使用するとそれによって形成されるポリマーセメントの粘度が有意に低下される可能性があることが開示されている。そういったポリマーセメントの粘度の低下は製造においてメリットをもたらす可能性がある。本発明はこれらのアルキル金属物質を使用して調製されるカップリングしたブロックコポリマーのカップリング効率および性質におけるいくつかの改良に関する。
カップリング効率は連結技術によって調製されるブロックコポリマーの合成において決定的な重要性を持つものである。典型的なアニオン性ポリマー合成においては、カップリング反応の前には、連結していないアームはただ1つのハードセグメント、典型的にはポリスチレンを持つことができるのみである。物質の強度の機序に寄与するためのものであるとすればブロックコポリマーには2つのハードセグメントが必要である。カップリングしていないアームは強度を生み出すブロックコポリマーのネットワークを希釈し、それによって物質そのものを弱くする可能性がある。
本発明において実現される非常に高いカップリング効率は、変成した瀝青を調製するような応用分野においては特に重要である可能性がある。スチレンのブロックポリマーで変成した瀝青の変成していない瀝青に比べての長所の1つは高温および低温における性能がよいことであり、これはカップリングしたスチレンのブロックポリマーがネットワークを形成する性質によっていると考えられる。ブロックポリマー中に存在するカップリングしていないブロックポリマーオリゴマーは、カップリングしたブロックポリマーオリゴマーのようには寄与しない。少なくとも重量当たりでは同程度には寄与しない。
本発明においては、カップリング効率はGPC曲線から式((全面積%−カップリングしていないブロックの面積%)/全面積%)x100を使用して計算される。カップリング効率はまたC/Eとも呼ばれ、面積%を使用して(((n=1+n=2...n=5+)−(n=1))/(n=1、n=2、...n=5+))x100で計算することができ、%で表される。C/Eが100のブロックポリマーではn=1は存在しない、言い換えるとGPCで検出されないはずである。
技術的には上で定義したカップリング効率の尺度ではないが、本発明のポリマーはn=2のオリゴマーとn=5+のオリゴマーの百分率の和が従来のポリマーに比べて低い値であることを特徴とする改善された性質を持っている。重合条件がカップリング効率が従来の値と近いような本発明のポリマーにおいてさえ、n=2のオリゴマーとn=5+のオリゴマーの百分率の和は従来のポリマーのものより実質的に低い。
本発明のブロックコポリマーは好ましくは3本および4本のアームを持った形態を主たるオリゴマーとして有しており、コポリマー分子ABを互いにカップリングすることによって調製され、そのコポリマー分子は上述のごとくアルキル金属を使用して調製される。カップリング剤はいかなるジエステルでもよい。好ましくは、ジエステルはアジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、テレフタル酸ジメチル、テレフタル酸ジエチル、およびそれらの混合物からなる群から選択される。カップリング反応を加速するために、1つまたは複数の促進剤が使用されてもよい。これらの促進剤は通常極性化合物であり、本質的に非プロトン性である。これらの促進剤には芳香族エーテル、線状アルキルエーテル、およびシクロアルキルエーテルが含まれる。特に好ましい促進剤はo−ジメトキシベンゼン、グライム、およびジグライムである。使用する際に、これらの促進剤は全溶液量に対して約100〜1,000ppmの範囲の量で添加される。約200〜500ppmの範囲の量が好ましい。
本発明の方法で使用するのに適したビニル芳香族化合物には8個〜20個の炭素原子を有するものが含まれ、スチレン、o−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、およびそれらの混合物が含まれる。好ましいモノビニル芳香族化合物はスチレン、α−メチルスチレンおよびパラメチルスチレンであり、スチレンが最も好ましい。本発明の目的には、スチレン性ブロックコポリマーは適当なビニル芳香族化合物で調製されたブロックコポリマーのポリマーであればいかなるものでもよい。
本発明で使用するのに適した共役ジエンには4個〜8個の炭素原子を有するもの、たとえば1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン(イソプレン)、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、1,3−ヘキサジエンが含まれる。そのようなジエンの混合物を使用してもよい。好ましい共役ジエンは1,3−ブタジエンおよびイソプレンである。
本発明のカップリングしたスチレン性ブロックコポリマーの各アーム(are)の全平均分子量は好ましくは約2,000〜約300,000ダルトンの範囲内である。さらに好ましくは、数平均分子量は約3,000〜約150,000ダルトン、最も好ましくは、約30,000〜100,000ダルトンである。
本明細書および特許請求の範囲において言及する数平均分子量は、ゲルパーミュエーションクロマトグラフィー(GPC)でASTM3536に従って実施されるようなポリスチレンの校正標準を使用して測定することができる。GPCはポリマーが分子のサイズに従って分離され、最も大きい分子が最初に溶離してくるよく知られている方法である。クロマトグラフは市場で入手できるポリスチレン分子量標準を使用して校正される。他の(ブロック)ポリマーの分子量はスチレン相当の分子量として表現される。使用される検出器は好ましくは紫外線検出器である。
本発明のブロックコポリマーは一般式(AB)Xを持った分岐状である。既に定義したように、nは枝の数である。本発明のポリマーは、本発明の方法のカップリング効率が高いためn=5またはそれ以上(n=5+)であるオリゴマーのレベルが従来より低いポリマーが製造されるという点において、従来のポリマーとは異なる。そのようなポリマーはポリマーが瀝青を改質するのに使用される応用分野においては非常に望ましい。本発明のポリマーは瀝青粘度の上昇を実質的に低下させるという瀝青の性質の同じ好ましい改善をもたらすことができ、それによって瀝青の処理条件が改良される。
本発明による瀝青質組成物中に存在する瀝青質成分は天然に存在する瀝青でもよく鉱油に由来するものでもよい。また、クラッキング法によって得られた石油ピッチやコールタールや様々な瀝青質物質の混合物も瀝青質成分として使用することができる。適当な成分の例としては蒸留もしくは「直留瀝青」、沈殿瀝青たとえばプロパン瀝青、ブローン瀝青たとえば触媒的ブローン瀝青もしくは「マルチファルト」およびそれらの混合物がある。他の適当な瀝青質成分にはこれらの瀝青の1つ以上と石油抽出物たとえば芳香族抽出物、留出油もしくは残渣のような増量剤(フラックス)との、あるいはオイルとの混合物がある。適当な瀝青質成分は(「直留瀝青」でも「フラックス瀝青」でも)25℃で50〜250dmmの範囲の針入度を有するものである。好ましくは、60〜170dmmの範囲の針入度を有する瀝青が使用される。相溶性瀝青でも非相溶性瀝青でも使用可能である。
本発明のポリマーは、瀝青改質剤として使用されるときは、瀝青質組成物中に全瀝青質組成物に対して約1〜約15重量%の範囲の量、さらに好ましくは約2〜約12重量%で存在する。瀝青質組成物は場合によっては、予想される最終用途で必要とされるはずの他の成分を含有していてもよい。もちろん、もしメリットがあれば瀝青質組成物中に本発明のポリマーに加えて他のポリマー改質剤が含有されていてもよい。
調製の後、本発明のスチレン性ブロックコポリマーは水素化されてもよい。そのような水素化は当業者において知られているいかなる方法を使用して達成されることもできる。水素化は芳香族の不飽和結合が水素化されない選択的水素化が好ましい。
本発明のポリマーはまた場合によっては酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、着色剤などの様々な添加剤を含有してもよい。ポリマー組成物中に存在するこれらの添加剤の量はブロックコポリマー100重量部あたり5重量部を越えないことが好ましい。
以下の実施例は本発明を説明するために提供される。これらの実施例は本発明の範囲を制限することは意図されておらず、そのように解釈されるべきではない。別途指示のない限り、量は重量部または重量パーセントで表示される。
(実施例1)
ジブロックポリマーアニオンであるS−B−Liは以下のようにして調製される。157kgのシクロヘキサンおよび11.7kgのスチレンが反応器に仕込まれる。色が検知されるまで少しずつsec−ブチルリチウムを加えることによって不純物が除去され、スチレンの重合を開始するために451mLのsec−ブチルリチウム溶液(8.8重量%BuLi、0.56モル)が加えられる。スチレンの重合に引き続き、ブタジエンが反応器に加えられる。合計31.1kgのブタジエンが加えられ、固形分含有率(製造されたポリマーの重量%)21%となる。約92%のブタジエンの添加に続いて415gの25重量%トリエチルアルミニウム(TEA)のシクロヘキサン溶液が添加される。観測されるスチレンブロックの分子量および仕込まれるスチレンの量がリビングポリマーのモル数を計算するのに使用される。その値に基づいて、リビング鎖1モル当たり約1.0モルのTEAが存在する。ブタジエンの添加速度はTEAの添加の直前に温度が約95℃に達するように調節される。ブタジエンの残りの重合中は温度は100℃〜110℃に保持される。ブタジエンの重合の完結に続いて、25gのアジピン酸ジメチル(DMA)が添加される(DMA:PLi約0.26)。約30分後に重合がメタノールによって停止される。生成物はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を使用して分析される。カップリングの前に、スチレンブロックは分子量約22,000ダルトンであり、ブタジエンブロックは分子量約55,000ダルトンである。UV検出器を使用して検出される様々な種に帰属されるピークの面積が以下の表1に報告される。カップリング効率も報告される。UV検出器はスチレンの繰り返し単位にのみ感度を有し、またスチレンの重量百分率はすべてのカップリングした種において同じなので、これらの面積は本質的にそれぞれの種のモル分率を表している。それぞれの種の分子量を使用して重量%に転換可能である。本明細書の実施例においては重量百分率は本質的にUV面積と等しい。
(実施例2)
実施例2の生成物は、TEA:Li比が0.98に下げられることを除き、実質的に実施例1と同様に調製される。
(実施例3)
実施例3の生成物は、TEAがブタジエンの約99.5%重合後に加えられることを除き、実質的に実施例1と同様に調製される。TEA:Liの比は0.99である。
(実施例4)
実施例4の生成物は、ブタジエンの約72%の重合後に加えられ、TEA:Li比が約1.03に上げられることを除き、実質的に実施例1と同様に調製される。
(実施例5)
実施例5の生成物は、モノマーの仕込みが少し増やされ、重合後の固形分濃度が22%となり、TEAがブタジエンの約72%の重合後に加えられ、TEA:Li比が約0.96に下げられることを除き、実質的に実施例1と同様に調製される。
(比較例6)
比較例6の生成物は、TEAが添加されないことを除き実質的に実施例1と同様に調製される。
Figure 0004368303
(実施例7a−d)
変成した瀝青12重量%の本発明のポリマーを相溶性瀝青、具体的にはアスファルト含有率約13%であり、商品名B−180のベネズエラ瀝青と混合して調製される。この混合物はSILVERSONL4R高剪断ミキサを使用して約180℃で約45分間ブレンドしてさらに調製される。このサンプルは以下の試験に供される。ASTMD−5による25℃における針入度;ASTMD−36によるリングとボール軟化点(℃);ASTMD−4402による180℃における粘度(Pa・s);ASTMD−5147によるコールド曲げ試験(℃);DIN52123によるDINフロー(℃)。結果は下記表2において報告される。
(比較例8)
KRATON POLYMERS LLCから入手可能な商品名D1184の従来のブロックコポリマーが使用されることを除いて実質的に同様にして実施例7の手順が繰り返される。
(実施例9a−d)
瀝青が、プロパン瀝青とブライトフルフラール抽出物の67/33の比の混合物から調製され商品名PX−200の非相溶性瀝青であることを除き、実質的に同様にして、実施例7の手順が繰り返される。
(比較例10)
KRATON POLYMER SLLCから入手可能な商品名D1184の従来のブロックコポリマーが使用されることを除いて実質的に同様にして実施例9の手順が繰り返される。
Figure 0004368303

Claims (3)

  1. 一般式(AB)Xである放射状スチレン性ブロックコポリマーまたはその水素化された誘導体。
    [上記式において
    (i)Aはスチレンのブロックであり、
    (ii)Bはジエンのブロックであり、
    (iii)Xはジエステルカップリング剤の残基であり、
    (iv)nはジエステルカップリング剤残基に結合した、スチレン性ブロックコポリマーのアームの数であり、
    (v)スチレン性ブロックコポリマーアーム(AB)の分子量は2,000ダルトン〜300,000ダルトンであり、
    (vi)前記放射状スチレン性ブロックコポリマーまたはその水素化された誘導体はnが5以上であるポリマーを含み、かつ該ポリマーの重量百分率は8%未満である]
  2. (a)スチレンのモノマーとジエンのモノマーを、適当な溶媒中で有機置換アルカリ金属化合物であるアニオン重合開始剤と接触させてリビングポリマーセメントを形成すること、
    (b)前記セメントに、重合中または重合後に、アルキル金属化合物のアルキル基がリビングポリマー連鎖末端と交換しないように選択され、アルキル金属化合物がアルキル置換基当たり1〜20個の炭素原子を有するアルキルアルミニウム、アルキル亜鉛、およびアルキルマグネシウムから選択されたアルキル金属化合物をリビングポリマー連鎖末端1当量当たり0.01〜1.5当量加えること、ならびに
    (c)前記セメントにリビングポリマーをカップリングするのに十分な反応条件下でジエステルカップリング剤を加えること
    含む請求項1に記載の放射状スチレン性ブロックコポリマーを調製する方法。
  3. 請求項1に記載の放射状スチレン性ブロックコポリマーまたは請求項2に記載の方法の生成物と瀝青との混合物を含む改質した瀝青。
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