背景技术
聚碳酸酯类的固相聚合反应公开在例如US专利4,948,871,5,204,377和5,214,073中,它的公开内容被引入本文供参考。它包括三个步骤:形成预聚物的第一步,典型地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体聚合(即,酯基交换反应);结晶该预聚物的第二步;和通过加热至在其玻璃化转变温度和其熔化温度之间的温度来增长结晶预聚物的分子量的第三步骤。这一聚合方法的使用由于其高效率和环保效益方面的原因而倍受关注。
根据所述专利,通过溶剂处理或热处理来进行这一方法的第二或结晶步骤。正如所描述的那样,该溶剂处理方法实际上使用预聚物的良或不良溶剂,其中接触牵涉到溶剂的液体或蒸汽形式。举例性质的“溶剂”包括脂肪族芳族烃,醚,酯,酮和卤化脂族和芳族烃。被认为重要的是“溶剂”需要渗透到预聚物中。所描述的结晶方法显然要求整个预聚物物料的结晶度被提高至至少5%的值,根据从粉末X-射线衍射图案测得的结果。
US 5905135(共同未决的、一般性拥有的申请序列号No.08/986,448)描述了固相聚合方法,它仅仅要求前体聚碳酸酯的表面结晶。表面结晶是典型在约20-50℃范围内的温度下,任选在另一种非溶剂如水或C1-4链烷醇存在下,通过与至少一种碳酸二烷基酯接触来进行。
在这些SSP(固相聚合反应)方法中通常遇到的问题是在SSP步骤之前聚碳酸酯颗粒的相互粘附,抑制了聚合反应。另一问题是粒料形式(这是它们被收集到的常见物理形式)的预聚物常常在SSP步骤中不能有效地聚合或碎裂成细粒物。
然而,希望使用不象碳酸二烷基酯那样昂贵和难以获得的非溶剂。还希望通过一种方法达到所需结晶度,该方法能够针对容易获得的前体聚碳酸酯粒料等来进行。
具体实施方式
可由本发明的方法生产的聚碳酸酯典型地包括下式的结构单元
其中R基团的总数中至少大约60%是芳族有机基团和剩余部分是脂族、脂环族或芳族基团。优选地,各R是芳族有机基团和更优选下式的基团
(II)-A1-Y-A2-
其中A1和A2各自是单环二价芳基和Y是桥连基团,其中一个或两个碳酸酯原子分开A1和A2。此类基团是分别从结构式HO-R-OH和HO-A1-Y-A2-OH的二羟基芳族化合物衍生的。例如,A1和A2通常表示未被取代的亚苯基,尤其对-亚苯基(它是优选的),或它的取代衍生物。桥连基团Y最常是烃基和尤其是饱和基团如亚甲基,亚环己烷基,或亚异丙基(它是优选的)。因此,最优选的聚碳酸酯是全部或部分从2,2-双(4-羟苯基)丙烷(又名“双酚A”)衍生的那些。
在本发明方法的步骤A中的主要起始原料是前体聚碳酸酯。它可以是由熔融聚碳酸酯方法的第一步所制备的或通过制备双氯甲酸酯低聚物,接着水解和/或封端和分离所制备的那一类型的聚碳酸酯低聚物。此类低聚物最常具有重均分子量(Mw )在约2,000-10,000范围内,由凝胶渗透色谱法相对于聚碳酸酯或聚苯乙烯测定,和特性粘数在约0.06-0.30dl/g范围内,本文的所有特性粘数值是在25℃的氯仿中测定的。
均聚物和共聚物前体聚碳酸酯类都可以使用。共聚碳酸酯包括含有例如双酚A碳酸酯结构单元及从其它双酚或从聚乙二醇衍生的碳酸酯单元的那些。也包括在内的是共聚酯碳酸酯,如含有十二烷二酸双酚酯单元及碳酸酯单元的那些。
它也可以是较高分子量的聚碳酸酯,通常具有Mw值在约10,000-35,000范围内,对于它来说希望进一步提高分子量,例如达到在约50,000-80,000范围内的值。例如,偏离规定值的光学质量的聚碳酸酯可在提高其分子量之前由本发明的方法进行结晶,以使它可以用于其它应用中。
该前体聚碳酸酯可以是由线性聚碳酸酯或其前体与支化剂如1,1,1-三(4-羟基苯基)乙烷反应形成的支化均聚-或共聚碳酸酯。支化共聚碳酸酯包括含有被采用来最大化耐溶剂性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特别适合于这一目的,如在US专利4,920,200中所公开的那样。此类单元典型地占聚合物中全部碳酸酯单元的约25-50%。转化成该支化均聚-或共聚碳酸酯的过程可预先进行或与前体聚碳酸酯转化至增强结晶度的聚合物的过程同时进行。
该前体聚碳酸酯也可以是回收的聚碳酸酯。例如,可以使用从光盘回收的聚合物。它的最初制备方法不是重要的,即,最初通过界面聚合反应、通过熔体聚合反应或从双氯甲酸酯制备的回收聚碳酸酯都可以使用。
此类回收材料典型地具有从最初聚合成的材料的分子量降解而得的分子量,这可通过在约0.25-1.0dl/g范围内的特性粘数来验证。它可以从废料聚碳酸酯获得,方法是溶解在氯化有机溶剂如氯仿、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷中,随后过滤掉不溶物质或进行那些用于分离非聚碳酸酯成分的其它现有技术中熟知的程序。其它类型的聚碳酸酯,如界面法制备的聚碳酸酯和聚碳酸酯挤出机废料也可用作前体。
在进行步骤A之前,尤其当前体聚碳酸酯是回收材料时,在本发明的范围内是将它溶解在作为溶剂的氯化烃中。举例性质的氯化烃类是二氯甲烷,氯仿,1,2-二氯乙烷,氯苯和邻二氯苯。氯代脂族烃是优选的,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在任何温度下进行。典型的温度是大约0℃到溶剂的沸点,其中约20-100℃通常是优选的。只要使用了有效溶解聚碳酸酯的溶剂量,它的比例不是关键的。
该溶解一般留下各种不溶物,例如当前体聚碳酸酯来自光盘时由金属涂层来佐证。本发明此外涉及了从聚碳酸酯溶液中除去所述不溶物质。这可通过常规的操作如倾析,过滤和离心来实现。
回收的聚碳酸酯常常附带着有色杂质,它可出现在聚碳酸酯本身中或在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清除步骤之后从无定形聚碳酸酯溶液中除去颜色的步骤。去除颜色的一个方法是在溶液中用无机酸(优选盐酸)处理,该酸典型地在链烷醇如甲醇中形成溶液。另一方法是所述溶液与吸收发色体的固体如活性炭或交联树脂接触,该树脂可以是中性或可以是离子交换树脂。另一方法是用葡糖酸钠溶液洗涤。再一方法是在如下文中所述那样进行沉淀之后用非溶剂洗涤树脂,该非溶剂的量足以溶解发色体。
在绝大部分情况下,前体聚碳酸酯的溶液在结晶增强之前被脱除任何溶剂。通常比较理想的是,由现有技术中认可的方法如抗溶剂沉淀或蒸汽沉淀法,从其沉淀出前体聚碳酸酯。
根据本发明,该前体聚碳酸酯与选自水和C1-20链烷醇的至少一种非溶剂接触。在链烷醇之中,优选的物质是C1-5伯链烷醇,例如有甲醇,乙醇和1-丁醇。某些仲链烷醇,如2-丁醇和3-戊醇,也是很好的选择。也可以使用非溶剂的混合物。由于它们的易获得性和低成本,最优选的非溶剂是水,甲醇和它们的混合物。
对于本发明的目的,没有必要也不打算使用在前述US 5905135中所需要的碳酸二烷基酯。本发明方法的诸多特征之一是不需要这一相对昂贵的化合物构成非溶剂的一部分。简单物质如水和链烷醇的使用就足够了。
前体聚碳酸酯与非溶剂的接触是在至少75℃并进一步由以下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是非溶剂在所使用的接触压力下的沸点(两者都以℃表示)和z是常数。Z的最大值是60。优选,Z是20。
该非溶剂在与前体聚碳酸酯接触时可以处在液体或蒸汽状态下。液体接触最常常是通过将前体聚碳酸酯浸泡在非溶剂的浴中起作用,和蒸汽接触是让非溶剂的蒸汽向上通过前体聚碳酸酯的床。在本发明范围内的是该接触温度大于Tb,尤其当使用蒸汽接触时,因此接触容器的压力必须保持在大气压以上。高达约10个大气压的高压是典型的,其中高达约5个大气压的压力是优选的。该接触温度也可高于前体聚碳酸酯的玻璃化转变温度。
与非溶剂接触所需要的时间将取决于结晶度增强率并根据所使用的非溶剂和接触的条件来变化。最佳的时间能够由简单的实验来确定。大部分情况下,在约15-60分钟范围内的时间是足够的。
根据本发明的结晶度增强基本上如前述US 5905135中所述:仅仅表面增强是必要的。然而,最常常发现非溶剂溶胀前体聚碳酸酯的颗粒,尤其当该颗粒是粒料时,渗透通过该表面。典型地达到了5%重量或更高的结晶度值。
常常发现,聚碳酸酯低聚物是如此的易碎,以致于它们不能方便地挤出和造粒,除非挤出到液体介质如水中。本发明设想在环境温度和压力条件下挤出到能够在这些条件下增强结晶的非溶剂(例如甲醇)中,在此之后可同时进行造粒和结晶度增强。
在结晶度增强后,前体聚碳酸酯容易回收,因为在与非溶剂接触之后,它与以前有同样的物理形式,只是结晶度有所提高,且可能的话,一定程度地被非溶剂润湿。然后可以,并且优选的是,经历现有技术中认可的固相聚合条件。这些包括在玻璃化转变温度和增强了结晶度的聚碳酸酯的熔解温度之间的温度,最常常比其熔解温度低约10-50℃。一般而言,在约150-270℃范围内和尤其约180-250℃的温度是合适的,尤其对于双酚A均聚碳酸酯而言。
本发明的方法通过下面的实施例来说明。
实施例1-13
结晶装置由用作贮液器的可加压容器和可调节高度的样品保持筛组成,后者经过调节后可浸泡在贮液器内的液体中或定位在液体上方的空间中。在这一容器中装入甲醇,在筛子上放置无定形双酚A型聚碳酸酯粒料(大约4mm直径)的样品,该筛子然后根据需要来固定位置。根据需要将该容器加热,然后在适当时,对其加以密封以便在其中产生蒸汽的自生压力。该聚碳酸酯样品在液体或液体的蒸汽中暴露一段时间,在此之后测定结晶度。
结果显示在下面的表中。聚碳酸酯样品属于双酚A均聚碳酸酯,进一步定义如下:
低聚物:Mw大约3,800。
OQ:光学质量,Mw大约34,000。
表I
Ex. |
聚合物 |
甲醇液体(L)或蒸汽(V) |
温度℃ |
压力大气压 |
时间分钟 |
结晶度% |
1 |
OQ |
V |
130 |
8.5 |
60 |
9.5 |
2 |
OQ |
V |
130 |
8.5 |
15 |
4.1 |
3 |
低聚物 |
L |
80 |
1.4 |
30 |
21 |
4 |
低聚物 |
V |
100 |
3.6 |
120 |
22.7 |
5 |
低聚物 |
V |
100 |
3.7 |
60 |
19.7 |
6 |
低聚物 |
V |
100 |
3.6 |
45 |
19.3 |
7 |
低聚物 |
V |
100 |
3.6 |
60 |
22 |
8 |
低聚物 |
L |
80 |
1.7 |
60 |
22 |
9 |
低聚物 |
L |
80 |
1.7 |
15 |
9 |
10 |
低聚物 |
V |
120 |
5 |
15 |
22.7 |
11 |
低聚物 |
V |
130 |
8.5 |
60 |
23 |
12 |
低聚物 |
V |
140 |
9.5 |
60 |
23 |
13 |
低聚物 |
V |
150 |
11.2 |
15 |
22.8 |
如实施例2中所示,在这些条件下15分钟对于获得OQ聚碳酸酯的适当结晶样品是不太够的。然而,60分钟是足够的(实施例1)和在使用低聚物时(实施例10)甚至在较低温度下15分钟也是足够的。
实施例14-26
重复实施例1-13的程序,使用各种液体和各种形式的聚碳酸酯。结果显示在表II中。
表II
Ex. |
聚合物 |
形式 |
非溶剂液体(L)或蒸汽(V) |
温度℃ |
压力大气压 |
时间分钟 |
结晶度% |
14 |
低聚物 |
粉末 |
甲醇L |
80 |
1.7 |
25 |
21 |
15 |
低聚物 |
粒料 |
乙醇L |
78 |
1.0 |
30 |
16.5 |
16 |
低聚物 |
粒料 |
1-丙醇L |
80 |
1.6 |
20 |
0.8 |
17 |
低聚物 |
粒料 |
1-丁醇V |
110 |
1.0 |
30 |
12 |
18 |
低聚物 |
粒料 |
2-丁醇L |
97 |
1.6 |
30 |
15.7 |
19 |
OQ |
粒料 |
2-丁醇L |
97 |
1.6 |
900 |
22 |
20 |
低聚物 |
粉末 |
3-戊醇L |
105 |
1.0 |
30 |
30 |
21 |
低聚物 |
碎“石”6mm |
3-戊醇V |
110 |
1.0 |
30 |
12.1 |
22 |
低聚物 |
粒料 |
3-己醇L |
105 |
1.0 |
20 |
22 |
23 |
OQ |
粒料 |
3-己醇L |
120 |
1.0 |
900 |
26.2 |
24 |
低聚物 |
粒料 |
水L |
152 |
4.8 |
60 |
26 |
25 |
低聚物 |
粒料 |
水L |
135 |
3.1 |
60 |
0 |
26 |
低聚物 |
粒料 |
水/甲醇1∶1(wt.)L |
105 |
1.7 |
60 |
20 |
在所有这些实施例中观察到了结晶度的显著增强,只是使用1-丙醇的实施例16和使用水的实施例25除外。可以相信,在实施例16中接触时间的增加和在实施例25中温度的提高将导致增加的结晶度。
实施例27-28
实施例1-13的程序用于增强两种共聚碳酸酯的结晶度:
实施例27:98.5mol%双酚A,1.5mol%聚乙二醇(分子量400);
实施例28:98mol%双酚A,2mol%聚乙二醇(分子量200);
在各实施例中,甲醇蒸汽是在100℃下使用和接触时间是60分钟。获得了具有结晶度值在22-28%范围内的产物。