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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Offenbart
wird ein Verfahren zum Recycling von Polyestern, wie beispielsweise
Polyethylen-2,6-naphthalat),
indem diese bei erhöhten
Temperaturen in Gegenwart von Wasser und einer Carbonsäure hydrolysiert
werden, um reine 2,6-Naphthalindicarbonsäure zu ergeben, die zur Verwendung als
ein Monomer geeignet ist.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Viele
Typen von Polymeren lassen sich mit Hilfe zahlreicher Maßnahmen
einem Recycling unterwerfen oder ihre chemischen Werte wiedergewinnen. Es
sind Polyester verschiedener Typen hydrolysiert oder mit Alkoholen
umgesetzt worden, um die verschiedenen chemischen Komponenten zurückzugewinnen,
die in den Polymeren vorhanden sind. Die wiedergewonnenen Verbindungen
werden sodann oftmals für
die Erzeugung von neuem Polyesterpolymer wiederverwendet. Allerdings
ist gut bekannt, dass zur Verwendung einer Verbindung als ein Monomer
in einer Kondensationspolymerisation die Verbindung rein sein sollte
und insbesondere frei sein sollte von zahlreichen Typen von Verunreinigungen, die
eine Polymerisation in kommerziellem Maßstab stellen können, die
routinemäßig reproduzierbar
sein muss. Daher sollte der Recyclingprozess speziell dann, wenn
relativ reines Altstoffpolymer dem Recycling unterworfen wird, vorzugsweise
einfach sein und Produkte liefern, die rein sind.
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In
der US-P-5473102 wird die Hydrolyse von Polymeren beschrieben, die
verschiedenen aromatische Dicarbonsäuren enthalten, wie beispielsweise Terephthalsäure, Isophthalsäure und
2,6-Naphthalindicarbonsäure (N),
und zwar durch Hydrolyse und nachfolgende Destillation der Hydrolyseprodukte durch
Co-Destillation mit dem Strom. Die Hydrolyse von N-enthaltenden
Polyestern in Gegenwart einer Carbonsäure wurde nicht beschrieben.
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In
der US-P-3629202 wird die Behandlung von Polyestern mit verschiedenen
Carbonsäuren
beschrieben, um sie gegenüber
Hydrolyse beständig
zu machen.
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H.
Zhang, et al., beschreiben in Macromolecules, Bd. 28, S. 7622-7629
(1995) die Kinetik der Hydrolyse von Polyethylen-2,6-naphthalat)
(PEN). Das Vorhandensein von zugesetzten Carbonsäuren für die Hydrolyse hat keine Erwähnung gefunden.
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Die
US-P-5414113 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung zweibasischer aromatischer Säuren aus
Polyesterharz. Ein wesentliches Element des Prozesses besteht darin,
dass ein Teil der unerwünschten
Verunreinigungen, die in der durch Depolymerisation erhaltenen aromatischen
Säure vorhanden
sind, in einer Flüssigphase-Oxidation
mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas in Gegenwart eines Oxidationskatalysators
bei erhöhten
Drücken
und Temperaturen in einem Oxidations-Lösemittelsystem verbrannt werden.
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Die
EP-P-432910 offenbart ein Verfahren zum Herstellen gereinigter 2,6-Naphthalindicarbonsäure, worin
mehr als 99% reines 2,6-DimethylNaphthalindicarboxylat in einer
wässrigen
Lösung
unter Verwendung einer aromatischen Polycarbonsäure oder eines Anhydrids davon
als ein Katalysator hydrolysiert werden.
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Die
DE-P-1926634 offenbart ein Verfahren für die Rückgewinnung von Terephthalsäure aus
Poly(ethylenterephthalat) durch Behandlung des Poly(ethylenterephthalats)
mit Fettsäuren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung gewährt
ein Verfahren für
die Herstellung von 2,6-Naphthalindicarbonsäure, welches
Verfahren umfasst:
- (a) Kontaktieren von einem
Poly(alkylen-2,6-naphthalat), Wasser und einer organischen Carbonsäure außer 2,6-Naphthalindicarbonsäure, die
2 bis 20 Kohlenstoffatome enthält, bei
einer Temperatur von 120° bis
300°C und
im Wesentlichen unter Abwesenheit von Sauerstoff;
- (b) Kühlen
des Reaktionsgemisches aus Schritt (a);
- (c) Abtrennen der 2,6-Naphthalindicarbonsäure durch Filtration und
- (d) Waschen und Trocknen der 2,6-Naphthalindicarbonsäure.
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EINZELHEITEN DER ERFINDUNG
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Unter
einem Poly(alkylen-2,6-naphthalat) wird ein Polymer verstanden,
das mindestens 50 Mol.% repetierende Einheiten der Formel hat:
worin R
2 Alkylen
ist. In einem bevorzugten Polymer sind alle repetierenden Einheiten
(I) und in einem mehr bevorzugten Polymer, das PEN ist, ist R
2 -CH
2CH
2-.
Das Polymer, von dem (I) ein Teil ist, kann ein einfacher Polyester
sein oder kann andere verknüpfende
Gruppen außer
einem Polyester enthalten, wie beispielsweise Amid oder Imid. Außerdem wird
bevorzugt, dass dieses Polymer einfach ein Polyester ist.
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Es
wird angenommen, dass die organische Carbonsäure, die vorliegt, als ein
Katalysator für
die Hydrolysereaktion wirkt und in gewisser Weise auch dazu beiträgt, ein
reines N-Produkt zu schaffen. Es kann durch zahlreiche funktionelle
Gruppen substituiert sein, die die Hydrolyse nicht stören, wie
beispielsweise Hydroxyl. Bevorzugte organische Carbonsäuren haben
die Formel R3CO2H,
worin R3 Hydrocarbyl ist oder substituiertes
Hydrocarbyl, das 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält und mehr bevorzugt 1 bis
4 Kohlenstoffatome. Ebenfalls ist R3 vorzugsweise
Alkyl oder mit Hydroxyl substituiertes Alkyl. Besonders bevorzugt
sind Essigsäure
oder Glykolsäure.
Andere bevorzugte Carbonsäuren
haben einen pKa-Wert von
1 bis 6 und bevorzugt 2 bis 5, gemessen in Wasser bei einer Temperatur
von 23°C.
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Die
Menge an Carbonsäure,
die in der Hydrolyse vorliegt, ist nicht entscheidend. Beispielsweise
beträgt
eine in dem Prozess verwendbare Menge 0,1% bis 50 Vol.% des flüssigen Wassers
(sofern vorhanden). Nach einer optionalen Methode zum Bestimmen
der vorhandenen organischen Carbonsäure können 0,05% bis 25 Gew.% Carbonsäure bezogen auf
das Gewicht des vorhandenen Polyesters verwendet werden. Wenn das
Polymer repetierende Einheiten enthält, die bei der Hydrolyse basische
Materialien liefern können,
wie beispielsweise eine ein Amin liefernde Amid-Verknüpfung, sollte
ausreichend Carbonsäure
vorhanden sein, so dass während
der gesamten Hydrolyse freie Carbonsäure vorhanden ist.
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Das
Wasser kann in Form von flüssigem Wasser
oder als Dampf oder in Form von Beidem vorhanden sein. Vorzugsweise
liegt mindestens etwas und mehr bevorzugt der überwiegende Anteil des Wassers
in flüssiger
Form vor. Die zur vollständigen
Hydrolyse benötigte
Wassermenge beträgt
mindestens 2 Mol.% repetierende Einheiten (I). Allerdings wird bevorzugt,
dass mindestens 3 Mole Wasser pro Mol repetierende Einheit (I) vorhanden
sind, vorzugsweise etwa 5 bis 200 Mole Wasser pro Mol repetierende
Einheit (I).
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Die
Hydrolyse wird bei 120°C
bis 300°C
und vorzugsweise bei 150° bis
275°C und
mehr bevorzugt 175° bis
250°C und
speziell bevorzugt 210° bis 240°C ausgeführt. Wie
das bei den meisten chemischen Reaktionen üblich ist, nimmt die für die Ausführung der
Hydrolyse des Polymers benötigte
Zeit mit steigender Temperatur ab. Eine "vollständige" Hydrolyse des Polymers wird bevorzugt,
ist jedoch nicht erforderlich, um mindestens etwas N zu erhalten.
Allerdings sollte die Temperatur vorzugsweise nicht so hoch sein,
dass eine deutliche Zersetzung der Hydrolyseprodukte oder der organischen
Carbonsäure
bewirkt wird. Eine umfangreiche Zersetzung kann zu Produkten führen, die
das/die Hydrolyseprodukt(e) verunreinigen und schwer zu entfernen
sein können.
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Die
Hydrolyse wird bei weitgehender Abwesenheit von Sauerstoff ausgeführt, um
unerwünschte oxidative
Nebenreaktionen zu vermeiden. Es kann vorteilhaft sein, die Hydrolyse
unter einem inerten Gas auszuführen,
wie beispielsweise Stickstoff. Es kann vorteilhaft sein, zur Beschleunigung
der Hydrolyse eine gewisse Bewegung vorzusehen.
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Der
zur Anwendung gelangende Apparat sollte in der Lage sein, dem Druck
zu widerstehen, unter dem der Prozess abläuft, wobei ein autogener Druck
oder Dampfdruck leicht anzuwenden ist. Der Apparat sollte ebenfalls
gegenüber
Korrosion durch Inhaltsstoffe des Prozesses bei den zum Einsatz
gelangenden Temperaturen beständig
sein. Verwendbare Materialien für
die Konstruktion sind Glas (Auskleidung), rostfreier Stahl und die
Legierung Hastelloy® C.
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Sobald
die Hydrolyse vollständig
ist, wird die Aufschlämmung
(unter der Annahme dass flüssiges Wasser
vorhanden ist) gekühlt,
um den autogenen Druck auf Atmosphärendruck zu verringern. Unter der
Annahme, dass kein anderer Feststoff und wasserunlösliche Produkte
vorhanden sind, wird das Produkt N mit Hilfe konventioneller Vorrichtungen
abfiltriert. Es ist festgestellt worden, dass dieses Produkt nach
dem Waschen mit zusätzlichem
Wasser und dem Trocknen direkt zur Verwendung als ein Monomer bei
der Herstellung von Polyestern verwendbar ist. Die Analysen zeigen,
dass es verhältnismäßig rein
ist und dass selbst die Rückstände des
Polymerisationskatalysators aus dem hydrolysierten Polyester von
dem N abgetrennt wurden (unter der Annahme, dass sie in dem Filtrat
vorhanden sind).
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Hydrolysen,
die ohne Verwendung eines Katalysators oder anderer Typen von sauren
Katalysatoren ablaufen, liefern N, das verfärbt oder auf andere Weise für die direkte
Verwendung als ein Monomer ungeeignet ist. In einigen Fällen bleiben
erhebliche Mengen an Rückständen von
Polymerisationskatalysator aus dem hydrolysierten Polyester in dem
N zurück.
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Das
N, das mit Hilfe der Hydrolyse des Poly(alkylen-2,6-naphthalats)
erzeugt wird, lässt
sich weiter umsetzen (polymerisieren), um einen Teil eines Kondensationspolymers
zu bilden, wie beispielsweise Polyamid, Polyester, Poly(esteramid),
Poly(esterimid) oder irgendein anderes Polymer, in welchem Ester-
oder Amid-verknüpfende
Gruppen vorhanden sind. Die Polymerisation von Dicarbonsäuren, wie beispielsweise
N unter Erzeugung von Polymeren, bei denen es sich um Homopolymere
oder Copolymere handelt, die Ester- oder Amid-Verknüpfungen enthalten,
sind gut bekannt. Beispielsweise kann man eine Beschreibung der
Erzeugung isotroper Polyester bei B. Elvers, et al., Herausg., Ullmann's Encyclopedia of
Industrial Chemistry, 5. Ausg., Bd. A21, VCH Verlagsgesellschaft
mbH, Weinheim, 1988, S. 228-251 und H. Mark et al., Herausg., Encyclopedia of
Polymer Science and Engineering, Bd. 12, John Wiley & Sons, New York,
1988, S. 1-75 finden, während
eine Beschreibung der Erzeugung von thermotropen flüssigkristallinen
Polyestern und speziell aromatischen Polyestern in Beispiel 2 hierin
von B. Elvers, et al., Herausg., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,
5. Ausg., Bd. A21, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1988,
S. 238-239, und H. Mark, et al., Herausg., Encyclopedia of Polymer Science
and Engineering, Index Volume, John Wiley & Sons, New York, 1990, S. 262-279
gefunden werden kann, die insgesamt hiermit als Fundstelle einbezogen
sind. Das hierin mit Hilfe der Hydrolyse des Poly(alkylen-2,6-naphthalats)
erzeugte N kann in diesen Polymerisationen in normaler Weise verwendet werden.
Aufgrund der Herkunft dieser Verbindung sind keine besonderen Bedingungen
erforderlich.
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In
den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden die Schmelzpunkte
mit Hilfe der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) bei einer Heizgeschwindigkeit
von 20 oder 25°C/min
ermittelt. Der Schmelzpunkt wurde als der Peak der Schmelzendothermen genommen.
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VERGLEICHSBEISPIEL 1
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Es
wurden 100 g PEN-Polymerpellets (rechteckige Zylinder mit einem
Durchmesser von näherungsweise
0,32 cm und einer Länge
von 0,32 cm) in einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl Typ 347 mit 1.780
ml zusammen mit 1.000 g Wasser und 4 ml 12 gew.%iger Toluolsulfonsäurelösung in
Eisessig gegeben. Der Autoklav wurde verschlossen und bis 6,7 kPa
(absolut) Druck evakuiert und erneut bis auf Atmosphärendruck
mit Stickstoffgas 3 Mal unter Druck gesetzt, um die Luft aus dem
System zu entfernen. Der verschlossene Autoklav und seine Inhaltsstoffe wurden
sodann bis 200°C
erhitzt und für
5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Ablauf dieser Zeit
wurde die Wärmezuführung abgeschaltet,
wonach der Autoklav auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Die resultierende
Aufschlämmung
wurde in einen Waring®-Mischer gegeben und für näherungsweise
2 min bis zu einem feindispersen partikulären Produkt zerkleinert. Sodann
wurde die Aufschlämmung
filtriert und der gewonnene Feststoff 2 Mal mit einer Mischung von
destilliertem Wasser und HCl auf dem Filter gewaschen. Das filtrierte
und gewaschene N wurde in einen Vakuumtrockenofen gegeben und über Nacht
bei etwa 120°C
und 1,3 kPa (absolut) Druck getrocknet. Das resultierende N hatte
eine leicht rötlich-braune
Färbung
und enthielt etwa 60 ppm Antimon.
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Aus
dem gewonnenen N wurde ein thermotropes flüssigkristallines Polymer mit
Hilfe der folgenden Prozedur erzeugt: die Reaktionsteilnehmer wurden
in einen Reaktionsbehälter
(in einer Stickstoffatmosphäre)
geladen und mit Hilfe eines Metallheizbades erhitzt, das mit einer
Vigreaux-Säule,
einem Kühler
und einem Rührer
(Rührdrehzahl
eingestellt auf 50 U/min) ausgestattet war. Die zu Beginn in den
Reaktionsbehälter
geladenen Reaktionsteilnehmer waren: 116,3 g Biphenol, 69,1 g Hydrochinon,
145,9 g Terephthalsäure,
81,4 g N, 554,4 g 4-Hydroxybenzoesäure und 633,9 ml Essigsäureanhydrid.
Die resultierende Mischung wurde bis zum Rückfluss erhitzt. Die Mischung
wurde bei einer Heizbadtemperatur von 170°C für 40 min refluxiert. Während der
nächsten
2,75 bis 3,75 Stunden wurde die Heizbadtemperatur allmählich bis
zu einer Temperatur von 355°C erhöht und die
Essigsäure
als Nebenprodukt entfernt.
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Anschließend wurde über die
nächsten
1 bis 2 Stunden der Druck allmählich
von Atmosphärendruck
bis auf volles Vakuum (66 Pa bis 530 Pa, Absolutdruck) abgesenkt,
während
die Drehzahl des Rührers
allmählich
bis 30 U/min verringert wurde. Die Polymerisation wurde abgebrochen,
indem das Heizbad ungefähr
5,5 bis 8 Stunden entfernt wurde, nachdem die Reaktionsteilnehmer
zu Beginn in den Reaktionsbehälter
geladen wurden. Das resultierende Polymer hatte eine braune Farbe
und einen Schmelzpunkt (gemessen mit Hilfe der DSC) von 311°C.
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BEISPIEL 1
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Es
wurden 20 g PEN-Polymerpellets (rechteckige Zylinder mit einem Durchmesser
von näherungsweise
0,32 cm und einer Länge
von 0,32 cm) in einen Hastelloy® C-Autoklaven
mit 400 ml zusammen mit 150 ml Wasser und 100 ml Eisessig gegeben.
Der Autoklav wurde verschlossen und bis 6,7 kPa (absolut) Druck
evakuiert und bis auf Atmosphärendruck mit
Stickstoffgas 3 Mal erneut unter Druck gesetzt, um aus dem System
Luft zu entfernen. Der verschlossene Autoklav und seine Inhaltsstoffe
wurden sodann bis 200°C
erhitzt und für
5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Ablauf dieser Zeit
wurde die Wärmezuführung abgeschaltet,
wonach der Autoklav auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Die resultierende
Aufschlämmung
wurde in einen Waring®-Mischer gegeben und für näherungsweise
2 min bis zu einem feindispersen partikulären Produkt zerkleinert. Sodann
wurde die Aufschlämmung
filtriert und der gewonnene Feststoff 2 Mal mit destilliertem Wasser
auf dem Filter gewaschen. Das filtrierte und gewaschene N wurde
in einen Vakuumtrockenofen gegeben und über Nacht bei etwa 120°C und 33,9
kPa (absolut) Druck getrocknet. Das resultierende N hatte eine leicht
graue Farbe und enthielt im Wesentlichen kein Antimon.
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BEISPIEL 2
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Es
wurden 75 g PEN-Polymerpellets (rechteckige Zylinder mit einem Durchmesser
von näherungsweise
0,32 cm und einer Länge
von 0,32 cm) in einen 1300 ml Hastelloy C-Autoklaven zusammen mit
750 ml Wasser und 10 g fester Glykolsäure gegeben. Der Autoklav wurde
verschlossen und bis 6,7 kPa (absolut) Druck evakuiert und bis auf
Atmosphärendruck
mit Stickstoffgas 3 Mal erneut unter Druck gesetzt, um aus dem System
Luft zu entfernen. Der verschlossene Autoklav und seine Inhaltsstoffe
wurden sodann bis 200°C
erhitzt und für
5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Ablauf dieser Zeit wurde
die Wärmezuführung abgeschaltet,
wonach der Autoklav auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Die resultierende
Aufschlämmung
wurde in einen Waring®-Mischer gegeben und für näherungsweise
2 min bis zu einem feindispersen partikulären Produkt zerkleinert. Sodann
wurde die Aufschlämmung
filtriert und der gewonnene Feststoff 2 Mal mit destilliertem Wasser
auf dem Filter gewaschen. Das filtrierte und gewaschene N wurde
in einen Vakuumtrockenofen gegeben und über Nacht bei etwa 120°C und 33,9
kPa (absolut) Druck getrocknet. Das resultierende N hatte eine helle
weiße
Farbe und enthielt im Wesentlichen kein Antimon.
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Aus
dem gewonnenen N wurde ein thermotropes flüssigkristallines Polymer mit
Hilfe der folgenden Prozedur erzeugt: die Reaktionsteilnehmer wurden
in einen Reaktionsbehälter
(in einer Stickstoffatmosphäre)
geladen und mit Hilfe eines Metallheizbades erhitzt, das mit einer
Vigreaux-Säule,
einem Kühler
und einem Rührer
(Rührdrehzahl
eingestellt auf 50 U/min) ausgestattet war. Die zu Beginn in den
Reaktionsbehälter
geladenen Reaktionsteilnehmer waren: 62,8 g Biphenol, 37,2 g Hydrochinon,
78,5 g Terephthalsäure,
43,8 g N, 298,3 g 4-Hydroxybenzoesäure und 341,1 ml Essigsäureanhydrid.
Die resultierende Mischung wurde bis zum Rückfluss erhitzt. Die Mischung
wurde bei einer Heizbadtemperatur von 170°C für 40 min refluxiert. Während der
nächsten 2,75
bis 3,75 Stunden wurde die Heizbadtemperatur allmählich bis
zu einer Temperatur von 355° bis 370°C erhöht und die
Essigsäure
als Nebenprodukt entfernt. Anschließend wurde über die nächsten 1 bis 2 Stunden der
Druck allmählich
von Atmosphärendruck
bis auf volles Vakuum (67 Pa bis 530 Pa, Absolutdruck) abgesenkt,
während
die Drehzahl des Rührers
allmählich
bis 30 U/min verringert wurde. Die Polymerisation wurde abgebrochen,
indem das Heizbad ungefähr
5,5 bis 8 Stunden entfernt wurde, nachdem die Reaktionsteilnehmer
zu Beginn in den Reaktionsbehälter
geladen wurden. Das resultierende Polymer hatte eine gelb-braune
Farbe und einen Schmelzpunkt von 329°C.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Es
wurden 20 g PEN-Polymerpellets (rechteckige Zylinder mit einem Durchmesser
von näherungsweise
0,32 cm und einer Länge
von 0,32 cm) in einen 400 ml Hastelloy C-Autoklaven zusammen mit 180
ml Wasser und 20 ml wässriger
HCl (näherungsweise
35 Gew.% HCl) gegeben. Der Autoklav wurde verschlossen und bis 6,7
kPa (absolut) Druck evakuiert und bis auf Atmosphärendruck
mit Stickstoffgas 3 Mal erneut unter Druck gesetzt, um aus dem System Luft
zu entfernen. Der verschlossene Autoklav und seine Inhaltsstoffe
wurden sodann bis 200°C
erhitzt und für
5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach Ablauf dieser Zeit
wurde die Wärmezuführung abgeschaltet,
wonach der Autoklav auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Die resultierende
Aufschlämmung
wurde abgegossen und untersucht. Sowohl die flüssigen als auch die festen
Komponenten der Aufschlämmung
waren tiefschwarz.
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VERGLEICHSBEISPIEL 3
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Es
wurde flüssigkristallines
Polymer aus kommerziell erworbenem N entsprechend der in Vergleichsbeispiel
1 beschriebenen Prozedur hergestellt. Das resultierende Polymer
hatte ein gelb-braune Farbe und der Schmelzpunkt (gemessen mit Hilfe der
DSC) betrug 329°C.