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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Katalysators für
die Polymerisation aliphatischer Polycarbonate und auf ein Verfahren
zum Polymerisieren aliphatischer Polycarbonate unter Verwendung
des Katalysators und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Katalysators für
die Polymerisation eines aliphatischen Polycarbonats, der eine hohe
Katalysatoraktivität
aufweist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Unter
den Luftschadstoffen wurde Kohlendioxid aus Industrieaktivitäten gemäß der UNFCCC
als ein Grund für
den Klimawandel erkannt, und daher wurden überall auf der ganzen Welt
verschiedene Untersuchungen zur Verringerung der Menge an produziertem
Kohlendioxid durchgeführt.
Um die Umwelt zu schützen und
Kohlendioxid zu verwenden, hat daher ein Verfahren Aufmerksamkeit
erregt, bei dem ein Epoxid mit Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle
in Gegenwart eines Zink inkluidierenden Katalysators zur Herstellung
eines aliphatischen Polycarbonats reagiert.
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Das
aliphatische Polycarbonat kann einen Film oder ein Partikel bilden
und findet in vielen Bereichen Verwendung, wie z.B. bei keramischen
Bindemitteln, bei einer Verdampfungsgussform und bei Klebstoffen. Dieses
Verfahren hat jedoch wegen der geringen Kohlendioxidreaktivität eine geringe
Ausbeute. Folglich ist sein industrieller Einsatz schwierig, und
daher ist es erforderlich, einen Katalysator herzustellen, der eine
hohe Wirksamkeit aufweist, um die Ausbeute des aliphatischen Polycarbonats
zu erhöhen.
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Das
Katalysatorsystem von Inoue wurde durch Reaktion eines Diethylzink-Katalysators mit
aktive Wasserstoffverbindungen, wie z.B. Wasser, Dicarbonsäure oder
zweiwertige Phenole, enthaltenden Materialien hergestellt, und die
typischen Katalysatorproduktivitäten
reichten von 2,0 bis 10,0 Gramm Polymer pro Gramm des verwendeten
Katalysators. Der Katalysator hat aufgrund der Beständigkeit
und Empfindlichkeit gegenüber
Feuchtigkeit und anderen Katalysatorgiften Mängel in Zusammenhang mit der
Verwendung und der Lagerung und hat auch eine geringe Ausbeute,
so dass es erforderlich war, andere Katalysatorsysteme zu untersuchen.
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Zinkdicarbonsäureester
(Polymer J. 13(4), 407(1981)), über
die von Soga berichtet wurde, wurden ebenfalls als wirksame Katalysatoren
für die
Copolymerisation von Kohlen dioxid und Propylenoxid beschrieben,
und da es sich dabei um stabile Materialien ohne irgendeines der
mit Diethylzink zusammenhängenden Handhabungsprobleme
handelt, stellen sie interessante Kandidaten für ein praktikables kommerzielles
Katalysatorsystem dar.
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Motika
(
U.S.-Patent Nr. 5,026,676 )
lehrt ein Verfahren zur Herstellung von Zinkdicarbonsäureester,
bei dem Zinkoxid mit Dicarbonsäure
in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels
reagiert. Glutarsäure
und Adipinsäure
produzierten Katalysatoren mit einer höheren Aktivität als bei
den bekannten Zinkdicarbonsäureester-Katalysatoren,
und die Katalysatorproduktion liegt bei etwa 2 bis 26 Gramm aliphatisches
Polycarbonat pro Gramm Katalysator.
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Es
wurde berichtet, dass Zinkdicarbonsäureester unter Verwendung verschiedener
Zinkvorläufer
hergestellt werden kann und eine hohe Kristallinität die Ausbeute
pro Gramm Katalysator erhöht
(Ree. et al. J. Polym. Sci: Part A: Polym. Chem. 37, 1863 (1999)).
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung eines Katalysators für die Polymerisation
eines aliphatischen Polycarbonats, der eine hohe Wirksamkeit aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zum Polymerisieren eines aliphatischen Polycarbonats
unter Verwendung des Katalysators bei hoher Ausbeute.
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Diese
und andere Aufgaben können
durch ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators für die Polymerisation
eines aliphatischen Polycarbonats, einschließlich des Oxidieren eines Dicarbonsäurevorläufers und
eines Zinkvorläufers
unter einem Überdruckzustand,
gelöst
werden.
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Um
diese und andere Aufgaben zu lösen,
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Polymerisieren
eines aliphatischen Polycarbonats bereit, einschließlich des
Copolymerisierens von Alkylenoxid und Kohlendioxid in Gegenwart
eines Katalysators, der durch Oxidieren eines Dicarbonsäurevorläufers und
eines Zinkvorläufers
unter einem Überdruckzustand
hergestellt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 und 2 sind
Lichtmikroskopaufnahmen eines Katalysators gemäß Beispiel 1 der vorliegenden
Erfindung; und
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3 und 4 sind
SEM-Aufnahmen des Katalysators gemäß Beispiel 1 der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Zink inkludierenden Katalysators, der eine gute Wirksamkeit
zur Herstellung eines aliphatischen Polycarbonats aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Verfahrensweise
umfasst das Oxidieren eines Dicarbonsäurevorläufers und einer Zinkverbindung
unter einem Überdruckzustand
bei einer Temperatur zwischen 120 und 180°C. Ein Beispiel des Verfahrens
ist durch die nachfolgende Reaktionsformel 1 dargestellt. Wie in
Reaktionsformel 1 gezeigt wird, wird der Dicarbonsäurevorläufer unter
einem Überdruckzustand
oxidiert, um einen Komplex der Verbindung mit einer Zinkverbindung
herzustellen (hydrothermale Reaktion). (Reaktionsformel
1)
wobei R (CH
2)
x und
x eine ganze Zahl von 0 bis 10, z.B. Phenyl oder Naphthaloyl, ist.
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Die
nützliche
Zinkverbindung ist Zinkhydroxid, Zinkperchlorathexahydrat, Zinkoxid,
Zinksulfat, Zinkacetatdihydrat oder Zinknitrathexahydrat.
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Der
Dicarbonsäurevorläufer kann
eine Verbindung sein, in der Halogen, Cyanid, Aldehyd oder eine wasserfreie
funktionelle Gruppe an beiden Endpunkten dargestellt ist, und Beispiele
sind aliphatische Verbindungen mit Dihydroxylgruppen, aromatische
Gruppen mit Dihydroxylgruppen, dihalogenierte Alkane, dihalogenierte
aromatische Verbindungen, aliphatische Verbindungen mit Dicyanidgruppen,
aromatische Dinitrilverbindungen, aliphatische Verbindungen mit
Diamidgruppen oder aliphatische Verbindungen mit Dialdehydgruppen.
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Beispiele
der aliphatischen Verbindung sind Ethylenglykol, Propandiol, Butandiol,
Pentandiol, Hexandiol, Octandiol, Decandiol oder Dodecandiol; und
Beispiele der aromatischen Verbindungen mit Dihydroxylgruppen sind
1,2-Benzoldimethanol, 1,3-Benzoldimethanol,
1,4-Benzoldimethanol, 1,2-Naphthalindimethanol, 1,3-Naphthalindimethanol,
1,4-Naphthalindimethanol, 1,5-Naphthalindimethanol, 1,7-Naphthalindimethanol, 1,8-Naphthalindimethanol,
2,3-Naphthalindimethanol, 2,5-Naphthalindimethanol, 2,6-Naphthalindimethanol oder
2,7-Naphthalindimethanol. Beispiele der dihalogenierten Alkane sind
außerdem
1,2-Dibromethan, 1,2-Dichlorethan, 1,3-Dibrompropan, 1,3-Dichlorpropan,
1,4-Dibrombutan, 1,4-Dichlorbutan, 1,5-Dibrompentan, 1,5-Dichlorpentan, 1,6-Dichlorhexan,
1,6-Dibromhexan, 1,8-Dibromoctan, 1,8-Dichloroctan, 1,10-Dichlordecan
oder 1,10-Dibromdecan; und Beispiele von dihalogenierten aromatischen Verbindungen
sind α,α'-Dichlor-o-xylol, α,α'-Dichlor-m-xylol, α,α'-Dichlor-p-xylol, α,α'-Dibrom-o-xylol, α,α'-Dibrom-m-xylol oder α,α'-Dibrom-p-xylol.
Beispiele der aliphatischen Verbindungen mit Dicyanidgruppen sind
Oxalonitril, Malononitril, Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril,
1,5-Pentandinitril, 1,6-Hexandinitril, 1,8-Octandinitril oder 1,10-Decandinitril; und
Beispiele des aromatischen Dinitrils sind 1,2-Benzoldinitril, 1,3-Benzoldinitril,
1,4-Benzoldinitril, 1,2-Naphthalindinitril, 1,3-Naphthalindinitril,
1,4-Naphthalindinitril, 1,5-Naphthalindinitril, 1,7-Naphthalindinitril, 1,8-Naphthalindinitril,
2,3-Naphthalindinitril, 2,5-Naphthalindinitril, 2,6-Naphthalindinitril
oder 2,7-Naphthalindinitril.
Beispiele der aliphatischen Verbindungen mit Diamidgruppen sind
Oximid, Malonimid, Succinimid, Glutarimid, Adipinimid, 1,5-Diimidpentan,
1,6-Diimidhexan, 1,8-Diimidoctan oder 1,10-Diimiddecan; und Beispiele der
aliphatischen Verbindungen mit Dialdehydgruppen sind Oxaldialdehyd,
Malondialdehyd, Succindialdehyd, Glutaryldialdehyd, Adipindialdehyd,
1,5-Dialdehydpentan, 1,6-Dialdehydhexan, 1,8-Dialdehydoctan oder 1,10-Dialdehyddecan.
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Der
Dicarbonsäurevorläufer ist
noch bevorzugter Pentandiol, Hexandiol, 1,5-Dibrompentan, 1,5-Dichlorpentan, 1,6-Dichlorhexan,
1,6-Dibromhexan, Glutaronitril, Adiponitril, Glutaramid, Adipinamid,
Glutarylaldehyd oder Adipinaldehyd.
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Das äquivalente
Verhältnis
zwischen der Zinkverbindung und dem Dicarbonsäurevorläufer beträgt vorzugsweise 1:10 bis 10:1
und noch bevorzugter 1:3 bis 3:1. Die Oxidation wird in Wasser durchgeführt, vorzugsweise
in destilliertem Wasser, und die Mischung wird in Wasser aufgelöst, gefolgt
von der Hinzugabe in einen Druckreaktor. Die Menge der Vorläufer beträgt 0,1 bis
50 Vol.-% Wasser und vorzugsweise 1 bis 10 Vol.-%.
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Danach
wird der Druckreaktor auf eine Temperatur zwischen 120 und 180°C erhitzt,
wodurch das destillierte Wasser verdampft wird. Die Erhitzung wird
1 bis 40 Stunden und bevorzugt 20 bis 40 Stunden lang fortgesetzt,
um einen Zink inkludierenden Katalysator, Zinkdicarbonsäureester,
herzustellen. Es ist allgemein bekannt, dass eine solche hydrothermale
Synthese Produkte von einzigartiger Kristallinität erzeugt, die durch allgemeine
Verfahrensweisen nicht zu erhalten sind.
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Der
resultierende Katalysator wird gewaschen, um die Reinheit zu erhöhen. Der
Druckreaktor wird auf Raumtemperatur abgekühlt und es wird filtriert,
um ein transparentes gefälltes
Einkristallmaterial zu erhalten, gefolgt von einem mehrmaligen Waschen
mit destilliertem Wasser und Aceton. Das Produkt wird bei Raumtemperatur
in einem Vakuumtrockenofen getrocknet.
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Der
durch das Verfahren erhaltene erfindungsgemäße Zinkdicarbonsäureester
ist einkristallin und hat eine gleichmäßige Oberflächenstruktur, die von seiner
regelmäßig angeordneten
inneren Struktur abgeleitet ist. Eine solche Gleichmäßigkeit
der Oberflächenstruktur
ermöglicht,
dass er verglichen mit dem herkömmlichen
Katalysator eine hohe katalytische Aktivität zur Copolymerisation von
Kohlendioxid und Alkylenoxid aufweist. Ein solcher Einkristall ermöglicht weiters
die Herstellung von aliphatischen Polycarbonaten mit konstanter
Ausbeute und einer engen Molekulargewichtsverteilung während der
Copolymerisation.
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Der
Gebrauch von Wasser hat nicht die Mängel, die mit der Verwendung
von organischen Lösungsmitteln,
wie z.B. Toluol, das im herkömmlichen
Verfahren verwendet wird, zusammenhängen, so dass die erfindungsgemäße Verfahrensweise
umweltfreundlich ist.
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In
der Anmeldung ist eine detaillierte Beschreibung bezüglich des
Verfahrens zur Herstellung aliphatischer Polycarbonate unter Verwendung
des Zinkdicarbonsäureesters
für die
Ausführung
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, da dies aus verwandten
Fachgebieten wohlbekannt ist, eine Ausführungsform wird allerdings
kurz dargestellt. Der produzierte Katalysator wird pulverisiert,
und der pulverisierte Katalysator wird zu Alkylenoxid hinzugefügt. Danach
wird Kohlendioxid mit einem vorbestimmten Druck (z.B. 300 psi) in
die Mischung eingeblasen, und die Copolymerisation findet statt.
Nach Beendigung der Copolymerisation werden organische Lösungsmittel,
wie z.B. Methylenchlorid, zum resultierenden Material hinzugefügt, und
die erhaltene Mischung wird mehrmals mit einer verdünnten Salzsäurelösung gewaschen.
Die gewaschene Mischung wird dann mehrmals mit destilliertem Wasser
gewaschen, und die Fällung
erfolgt unter Verwendung von Methanol. Das gefällte Material wird bei Raumtemperatur
in einem Vakuumtrockenofen getrocknet, um ein aliphatisches Polycarbonat
herzustellen.
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Die
Copolymerisation erfolgt bei Fehlen von organischen Lösungsmitteln
oder in Gegenwart von organischen Lösungsmitteln, wie z.B. 1,4-Dioxan,
Toluol, Benzol, Methylenchlorid oder Cyclohexan. Wenn die Copolymerisation
in Abwesenheit von organischen Lösungsmitteln
durchgeführt
wird, wirkt das Alkylenoxid oder der aliphatische cyclische Ester,
das bzw. der an der Copolymerisation nicht teilnimmt, sondern zurückbleibt, als
Lösungsmittel.
Nach Beendigung der Copolymerisation werden das restliche Alkylenoxid
und der restliche aliphatische cyclische Ester rückgewonnen und wiederverwendet.
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Das
produzierte aliphatische Polycarbonat hat vorzugsweise eine Molekülmasse von
500 bis 5 × 106, was zu einer leichten Kontrolle der chemischen
oder physikalischen Eigenschaften und der Formungseigenschaften
führt.
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Die
vorliegende Erfindung wird weiters unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Beispiele näher
erläutert,
die Beispiele sollten jedoch nicht als den Umfang der beanspruchten
Erfindung einschränkend
gedeutet werden.
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<Beispiel
1>
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(Herstellung eines Katalysators)
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1
g Zinkperchlorathexahydrat und 0,25 g Glutaronitril wurden in 24
ml destilliertem Wasser aufgelöst. Die
resultierende Lösung
wurde in einen Druckreaktor gespritzt, dessen Innenseite mit einem
Teflonfilm behandelt war. Die Lösung
wurde 40 Stunden lang bei 160°C
im Reaktor gehalten.
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Nach
Beendigung der Reaktion wurde der Reaktor auf Raumtemperatur abgekühlt, und
die Lösung wurde
abfiltriert, um ein transparentes Kristallmaterial, das in den 1 bis 4 gezeigt
wird, zu erhalten, gefolgt von einem drei- oder mehrmaligen Waschen
mit destilliertem Wasser und Aceton. Die 1 und 2 sind
Lichtmikroskopaufnahmen des resultierenden Materials, und die 3 und 4 sind
SEM-Aufnahmen davon. Aus den 1 bis 4 ist
ersichtlich, dass das Material eine transparente und glänzende Kristallstruktur
aufweist.
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Restliches
Lösungsmittel
wurde unter Bedingungen von 50°C/5
mmHg von der gewaschenen Verbindung entfernt, um 0,8 g Katalysator
zu erhalten. Die Elementaranalyse des Katalysators war wie folgt:
C: 30,72%, H: 3,08%, O: 32,52%.
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(Polymerisation eines aliphatischen Polycarbonats)
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1
g Katalysator wurde in einem Druckreaktor in einer Handschuhbox
unter Stickstoffatmosphäre
platziert, und 100 ml Proplyenoxid wurden dazugegeben. Danach wurde
der Reaktor mit Kohlendioxid unter einen Druck von 300 psi gesetzt.
Die umgesetzte Mischung wurde 40 Stunden lang bei 60°C gehalten.
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Nach
Beendigung der Reaktion wurde Kohlendioxid aus dem Reacktanten entfernt,
und Methylenchlorid wurde hinzugefügt. Das resultierende Material
wurde dreimal mit einer verdünnten
Salzsäurelösung und
danach mit destilliertem Wasser gewaschen, um den Katalysator aus
dem resultierenden Material zu entfernen. Daraufhin wurde das Material
unter Verwendung von Methanol gefällt. Das erhaltene gefällte Material
wurde filtriert und getrocknet, um 50g Propylencarbonatpolymer zu
erhalten.
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Eine
Analyse mittels Infrarot und Kernspinresonanz zeigte, dass das Polymer
ein Copolymer von Propylenoxid und Kohlendioxid mit einem Molverhältnis von
1:1 war.
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<Beispiele
2~4>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass die umgesetzte Mischung für die in
Tabelle 1 gezeigten Zeiträume
gehalten wurde. Die Ausbeuten des Katalysators sind in Tabelle 1
dargestellt. Tabelle 1
| Reaktionszeit | Ausbeute |
Beispiel
2 | 10
Stunden | 23% |
Beispiel
3 | 20
Stunden | 52% |
Beispiel
4 | 30
Stunden | 67% |
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<Beispiel
5>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass 1 g Zinkperchlorathexahydrat
und 0,5 g Glutaronitril verwendet wurden, um 0,75 g Zinkglutarester-Katalysator
zu erhalten.
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(Polymerisation von Propylencarbonat)
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Unter
Verwendung des Katalysators wurde die Polymerisation von Propylencarbonat
durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel 1 durchgeführt, um
41 g Polymer zu erhalten.
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<Beispiel
6>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass 0,29 g Adiponitril verwendet
wurden, um 0,71 g Zinkadipinester-Katalysator zu erhalten.
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(Polymerisation von Propylencarbonat)
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Unter
Verwendung des Katalysators wurde die Polymerisation von Propylencarbonat
durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel 1 durchgeführt, um
12 g Polymer zu erhalten.
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<Vergleichsbeispiel
1>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass die Reaktionstemperatur bei
110°C gehalten
wurde. In dem Verfahren wurde ein weißes Pulver produziert und das
einkristalline Produkt wurde nicht hergestellt.
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<Vergleichsbeispiel
2>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass Zinkchlorid als Zinkvorläufer verwendet
wurde. In dem Verfahren wurde ein weißes Pulver produziert und das
einkristalline Produkt wurde nicht hergestellt.
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<Vergleichsbeispiel
3>
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Ein
Katalysator wurde durch dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel
1 hergestellt, abgesehen davon, dass 20 ml Ethanol und 4 ml destilliertes
Wasser verwendet wurden. In dem Verfahren wurde ein weißes Pulver produziert
und das einkristalline Produkt wurde nicht hergestellt.
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Es
wird vorhergesagt, dass, wenn amorphe Verbindungen gemäß den Vergleichsbeispielen
1 bis 3 zur Herstellung eines aliphatischen Polycarbonats verwendet
werden, die Ausbeute geringer als jene gemäß den Beispielen 1 bis 6 ist.
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Wie
obenstehend beschrieben wurde, kann das erfindungsgemäße Verfahren
einen einkristallinen Katalysator hervorbringen, dessen hohe Kristallinität einen
Anstieg der Katalysatoraktivität
zulässt
und der als handelsüblicher
Katalysator für
die Herstellung eines aliphatischen Polycarbonats verwendbar ist,
und das Verfahren ist umweltfreundlich ohne Verwendung eines organischen
Lösungsmittels.
Das erhaltene Polycarbonat kann als Film oder Partikel ausgebildet
sein und wird bei einem keramischen Bindemittel, einer Verdampfungsgussform
oder einem Bindemittel angewandt. Außerdem wird bei dem Verfahren
Kohlendioxid als Monomer verwendet, so dass Luftverschmutzung und
Klimawandel aufgrund von Kohlendioxid unter Kontrolle gehalten werden
können.