JP2002194041A - フェノール樹脂の製造方法 - Google Patents
フェノール樹脂の製造方法Info
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Abstract
分布が狭いノボラック型フェノール樹脂を高収率で得る
こと。 【解決手段】 フェノール類とアルデヒド類とを有機ホ
スホン酸触媒で反応系中の水分を30%以下として、反
応温度を110〜200℃で反応する特徴とするノボラ
ック型フェノール樹脂の製造方法。
Description
類が少なく、かつ、分子量分布が狭いノボラック型フェ
ノール樹脂を高収率に得るための製造方法に関するもの
である。本発明で得られるノボラック型フェノール樹脂
は、例えば、成形材料、摩擦材、砥石、封止材等のバイ
ンダーとして好適に使用されるものである。
フェノール類とアルデヒド類とを塩酸、硫酸、リン酸、
亜リン酸、蓚酸、p−トルエンスルホン酸といった無
機、有機酸を触媒として反応させることで得られる。ノ
ボラック型フェノール樹脂の分子量は、フェノール類と
アルデヒド類との仕込比率等で調整するのが一般的であ
るが、分子量の低いノボラック型フェノール樹脂は、分
子量分布が広くなりやすい。分子量分布を狭くする一般
的手段としては、有機溶媒中で反応させる方法、水蒸気
蒸留あるいは溶剤洗浄により低分子量成分を除去する方
法があるが、前者の場合は低分子量のノボラック型フェ
ノール樹脂は得られず、後者の場合は収率が大きく低下
してしまう。
応フェノール類が少なく、かつ、分子量分布が狭いノボ
ラック型フェノール樹脂を高収率に製造する事にある。
成するために鋭意研究を行った結果、完成されたもので
あり、第一の発明は、フェノール類とアルデヒド類と
を、有機ホスホン酸を触媒として反応することを特徴と
するノボラック型フェノール樹脂の製造方法である。第
二の発明は、フェノール類とアルデヒド類とを有機ホス
ホン酸を触媒として反応するノボラック型フェノール樹
脂の製造方法において、反応系中の水分を30重量%以
下、反応温度を110〜200℃として反応することを
特徴とするノボラック型フェノール樹脂の製造方法であ
る。第三の発明は、有機ホスホン酸が、一般式(1)で
示されるものである第一の発明又は第二の発明に記載の
ノボラック型フェノール樹脂の製造方法である。 R−PO(OH)2 (1) (Rは、炭素原子を含み、かつ、−COOH及び又は−
PO(OH)2 を含む基である)
限定されるものではないが、好ましくは、フェノール、
オルソクレゾール、メタクレゾール、パラクレゾール、
キシレノール、パラターシャリーブチルフェノール、パ
ラオクチルフェノール、パラフェニルフェノール、ビス
フェノールA、ビスフェノールF、レゾルシンなどから
選ばれた少なくとも1種以上のフェノール類である。
限定されるものではないが、好ましくは、ホルムアルデ
ヒド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、アクロレ
イン等あるいはこれらの混合物であり、これらのアルデ
ヒド類の発生源となる物質あるいはこれらのアルデヒド
類の溶液を使用することも可能である。フェノール類と
アルデヒド類との反応モル比は、フェノール類1.0モ
ルに対して、アルデヒド類0.1〜3.0モル、好まし
く0.5〜1.0モルである。反応の開始時において、
フェノール類とアルデヒド類を全量一括して仕込み触媒
を添加し反応させてもよく、また、反応初期の発熱を押
さえるため、フェノール類と触媒を添加してからアルデ
ヒド類を逐次添加して反応させてもよい。
スホン酸は、ホスホン酸基−PO(OH)2 を含む有機化
合物であり、いかなるものも使用可能であるが、一般式
(1)で示されるホスホン酸が、未反応フェノール類が
少なく、かつ、分子量分布が狭いノボラック型フェノー
ル樹脂を高収率に得るために好ましい。 R−PO(OH)2 (1) (Rは、炭素原子を含み、かつ、−COOH及び又は−
PO(OH)2 を含む基である)一般式(1)で示される
有機ホスホン酸としては、アミノポリホスホン酸類であ
るエチレンジアミンテトラキスメチレンホスホン酸、エ
チレンジアミンビスメチレンホスホン酸、アミノトリメ
チレンホスホン酸、β−アミノエチルホスホン酸N,N
−ジ酢酸、アミノメチルホスホン酸N,N−ジ酢酸や、
1−ヒドロキシエチリデン−1,1’−ジホスホン酸、
2−ホスホノブタン−1,2,4−トリカルボン酸等が
ある。本発明の目的からみて工業的に大量生産され安価
であるアミノトリメチレンホスホン酸や、1−ヒドロキ
シエチリデン−1,1’−ジホスホン酸、2−ホスホノ
ブタン−1,2,4−トリカルボン酸が好ましい。
ール類1モルに対して0.001〜4.0モル、好まし
くは0.01〜0.5モルである。有機ホスホン酸の添
加量が多いほど、未反応フェノール類が少なく、かつ、
分子量分布が狭いノボラック型フェノール樹脂を高収率
で得るという本発明の効果は大きいが、触媒添加量が
4.0モルを越えるその効果が変わらなくなり、0.0
01モル未満では、触媒としての効果が実質的になくな
る。シュウ酸、硫酸、塩酸、p−トルエンスルホン酸な
どの通常ノボラック型フェノール樹脂の製造で使用する
酸の併用も可能である。これらの酸の併用は特に4核対
以上の高分子領域での反応促進に有効であり、分子量分
布を制御する方法として有効な手段と言える。
方法において、反応系中の水分を30%以下、反応温度
を110〜200℃とする反応条件は、未反応フェノー
ル類のみならず、2核体や3核体といった低分子領域の
ノボラック型フェノール樹脂が選択的に反応するのに有
効で、分子量分布を効果的に狭くすることができる条件
である。言い換えれば、未反応フェノール類の反応は、
上記反応条件から外れた条件、即ち、水分が多く、低温
下でも十分に行いうるが、2核体、3核体等の低分子領
域の選択的な反応は不十分で分子量分布が広くなる傾向
がある。
系内に存在するフェノール類、アルデヒド類、ノボラッ
ク型フェノール樹脂、有機ホスホン酸等全体に対する水
分量である。水分には、仕込み時に添加した水分、添加
するアルデヒド類に含まれる水分、添加する有機ホスホ
ン酸に含まれる水分、有機ホスホン酸の結晶水等、仕込
み原料に由来する水分、反応時に発生する縮合水などが
ある。これらの反応系中の水分量が30重量%以下、好
ましくは1〜20重量%以下である。反応系中の水分量
の計算方法は、仕込み原料中の水分量と反応で生成する
縮合水量を反応系中の水分量とし、仕込み全量で除した
値である。また、水を蒸留して取り除きながら反応させ
る場合、上記仕込み原料中の水分量と反応で生成する縮
合水量から溜去した水分量を減じた水分量が反応系中の
水分量である。この水分量は少ない程、未反応フェノー
ル類が少なく、かつ、分子量分布が狭いノボラック型フ
ェノール樹脂を高収率に得る効果が高くなるので20%
以下が好ましい。しかし、水分が少ないと有機ホスホン
酸が高粘度化若しくは固結し、触媒作用が低下するた
め、結晶水を含む程度の水分量である1%以上が好まし
い。水分量が30%を越えるとその効果がほとんど変わ
らなくなる。
0℃が好ましい。110℃より低いと、上記のような水
分の少ない条件下では、触媒である有機ホスホン酸が高
粘度化若しくは固結し、触媒作用が低下する。200℃
を越えると有機ホスホン酸の分解及びノボラック型フェ
ノール樹脂の分解が起こる。有機ホスホン酸、ノボラッ
ク型フェノール樹脂の分解は低温ではより起こりずらい
く好ましいが、水分量1〜20%で有機ホスホン酸が高
粘度化若しくは固結しなく触媒作用を十分に有した状態
となるための温度範囲としては、130〜160℃であ
る。
%以下の範囲で還流温度はほぼ110〜200℃にあた
り、温度及び水分のコントロール上、常圧反応は好まし
い条件である。この他にも反応条件としては、ブタノー
ル、プロパノール等非水溶剤を使用した溶剤還流脱水反
応、高圧反応等が考えられる。また、アルデヒド類を添
加しながら、生成する縮合水を蒸留等で取り除く反応
は、反応系中の水分量が一定となり好ましい条件であ
る。しかし、この時、未反応のフェノール類が水分と一
緒に取り除かれやすくなる欠点があるので、注意を要す
る。この欠点を克服するため、未反応フェノール類が一
定量以下となるまで、未反応のフェノール類が蒸留され
ないようにして反応を行い、次いで、蒸留により水分を
取り除いた後あるいは取り除きながら、反応系中の水分
を30重量%以下、反応温度を110〜200℃として
反応を続けることができる。
洗を行ってもよい。また、必要により、水や有機溶剤、
さらには未反応のフェノール類を除去するため、常圧蒸
留や、減圧蒸留、水蒸気蒸留等を行うことも可能であ
る。
して用い、ノボラック型フェノール樹脂を高収率で分子
量分布を狭くすることができる理由は、以下のように考
えられる。本発明に用いる有機ホスホン酸は、非常に水
溶性が高い。しかし、フェノール類には溶解性が小さ
く、ノボラック型フェノール樹脂には分子量増大ととも
溶解性が更に小さくなる性質を有している。このため反
応時には、触媒である有機ホスホン酸を多量に含んだ水
相と、フェノール類、ノボラック型フェノール樹脂から
なる、触媒がほとんど存在しない有機相とに相分離した
状態となる。フェノール類及び2核体等の低分子成分は
比較的水相に溶出しやすく、溶出した部分はアルデヒド
類と反応する。しかし、高分子領域では溶出がほとんど
なく反応が進まない。また、水相に溶出し反応したノボ
ラック型フェノール樹脂は速やかに有機相に抽出され、
その以上反応は進まない。この様にして、低分子領域と
高分子領域の反応速度差が生じるため、結果的に未反応
フェノール類が少なく、かつ、分子量分布が狭いノボラ
ック型樹脂を高収率に製造する事が可能となる。本発明
は、触媒として有機ホスホン酸を用い、好ましくは、反
応条件として、反応系中の水分を30%以下、反応温度
を110〜200℃とすることを特徴とする。本発明の
製造方法によるノボラック型フェノール樹脂の分子量が
狭く、かつ高収率で樹脂を得ることができる理由は、以
下のように考えられる。反応系中の水分が30%以下と
少なく、反応温度が110℃以上の高温であることによ
り、以下のような効果を得ることができる。まず、高温
であることから、2核体、3核体等の低分子領域も水相
へ溶出されやすく、水相での反応が容易に進む。そし
て、水分が少なく水相中のイオン濃度が高い状態で維持
される。水相と有機相の界面がよりしっかりと分離する
ので、有機相側の反応を防止できる。また、有機ホスホ
ン酸は高濃度であると粘度を高めたり固結したりする性
質があるが、高温であるため溶融した状態となり触媒機
能を失うことが防止できる。これらの効果から、未反応
フェノール類が少なく、かつ、分子量分布が狭いノボラ
ック型フェノール樹脂を高収率に得る効果が高まる事に
よる。
る。ここで記載されている「部」及び「%」は全て「重
量部」及び「重量%」を示す。
ノール1000部、1−ヒドロキシエチリデン−1,
1’−ジホスホン酸60%水溶液(フェリオックス11
5、(株)ライオン製)を200部添加し、100℃に昇
温し、35%ホルムアルデヒド水溶液700部を30分
間かけて逐次添加し、100℃で1時間還流させながら
反応させた。その後、常圧蒸留を行い130℃まで昇温
し、5000Paの減圧度で減圧蒸留を行って150℃
まで昇温し、フェノール樹脂Aを1192部得た。
ノール1000部、アミノトリメチレンホスホン酸50
%水溶液(ディクエスト2000、ソルーシア・ジャパ
ン(株)製)を240部添加し、100℃に昇温し、35
%ホルムアルデヒド水溶液700部を30分間かけて逐
次添加し、100℃で1時間還流させながら反応させ
た。その後、常圧蒸留を行い130℃まで昇温し、50
00Paの減圧度で減圧蒸留を行って150℃まで昇温
し、フェノール樹脂Bを1178部得た。
ノール1000部、シュウ酸を10部添加し、100℃
に昇温し、35%ホルムアルデヒド水溶液700部を3
0分間かけて逐次添加し、100℃で1時間還流させな
がら反応させた。その後、常圧蒸留を行い130℃まで
昇温し、5000Paの減圧下で減圧蒸留を行って19
0℃まで昇温し、フェノール樹脂Iを957部得た。
ノール1000部、1−ヒドロキシエチリデン−1,
1’−ジホスホン酸60%水溶液(フェリオックス11
5、(株)ライオン製)を200部添加し、100℃に昇
温し、37%ホルムアルデヒド水溶液690部を30分
間かけて逐次添加し、100℃で1時間還流させながら
反応させた。反応終了後、反応組成物をサンプリングし
ガスクロマトグラフィーを用いて未反応フェノール量を
測定した。その後、純水500部を添加し混合した後、
樹脂と分離た水相を除去した。このような水洗工程を3
回行った。常圧蒸留を行い130℃まで昇温し、500
0Paの減圧度で減圧蒸留を行って150℃まで昇温
し、フェノール樹脂Cを1056部得た。
ノール1000部、アミノトリメチレンホスホン酸50
%水溶液(ディクエスト2000、ソルーシア・ジャパ
ン(株)製)を240部添加し、100℃に昇温し、37
%ホルムアルデヒド水溶液690部を30分間かけて逐
次添加し、100℃で1時間還流させながら反応させ
た。反応終了後、反応組成物をサンプリングしガスクロ
マトグラフィーを用いて未反応フェノール量を測定し
た。その後、実施例3と同様に、純水500部添加し、
樹脂と分離した水相を除去する水洗工程を3回行った。
常圧蒸留を行い130℃まで昇温し、5000Paの減
圧度で減圧蒸留を行って150℃まで昇温し、フェノー
ル樹脂Dを1052部得た。
ノール1000部、2−ホスホノブタン−1,2,4−
トリカルボン酸50%水溶液(PBTC、城北化学(株)
製)を240部添加し、100℃に昇温し、37%ホル
ムアルデヒド水溶液690部を30分間かけて逐次添加
し、100℃で1時間還流させながら反応させた。反応
終了後、反応組成物をサンプリングしガスクロマトグラ
フィーを用いて未反応フェノール量を測定した。その
後、実施例3と同様に、純水500部添加し、樹脂と分
離した水相を除去する水洗工程を3回行った。常圧蒸留
を行い130℃まで昇温し、5000Paの減圧度で減
圧蒸留を行って150℃まで昇温し、フェノール樹脂E
を1047部得た。
ヒドロキシエチリデン−1,1’−ジホスホン酸60%
水溶液(フェリオックス115、(株)ライオン製)1
000部とフェノール1000部を添加して100℃に
昇温し、37%ホルムアルデヒド水溶液690部を1時
間かけて逐次添加した。その後、100℃で1時間還流
させながら反応を行った。反応終了後、反応組成物をサ
ンプリングしガスクロマトグラフィーを用いて未反応フ
ェノール量を測定した。その後、実施例3と同様に、純
水500部添加し、樹脂と分離した水相を除去する水洗
工程を3回行った。常圧蒸留を行い130℃まで昇温
し、5000Paの減圧度で減圧蒸留を行って150℃
まで昇温し、フェノール樹脂Fを1065部得た。
ノール1000部、1−ヒドロキシエチリデン−1,
1’−ジホスホン酸(1−1−ヒドロキシエチリデン−
1,1’−ジホスホン酸(1水和物)95%以上、キシ
ダ化学(株)製)を600部添加し、140℃に昇温
し、92%パラホルムアルデヒド277.5部を30分
間かけて逐次添加し、126℃で1時間還流させながら
反応させた。この反応時の系中水分は反応初期は2%で
あり、反応終了時は12%であった。反応終了後、反応
組成物をサンプリングしガスクロマトグラフィーを用い
て未反応フェノール量を測定した。その後、実施例3と
同様に、純水500部添加し、樹脂と分離した水相を除
去する水洗工程を3回行った。常圧蒸留を行い130℃
まで昇温し、5000Paの減圧度で減圧蒸留を行って
150℃まで昇温し、フェノール樹脂Gを1076部得
た。
ヒドロキシエチリデン−1,1’−ジホスホン酸60%
水溶液(フェリオックス115、(株)ライオン製)1
000部を添加し常圧蒸留を行い80%の濃度とし、フ
ェノール1000部を添加して100℃に昇温し、37
%ホルムアルデヒド水溶液550部を30分間かけて逐
次添加し、常圧蒸留を行い、130℃まで昇温させ反応
系中の水分量を6%とした。その後、130℃に温度を
維持し、水分量を約6%で一定として、常圧蒸留を行い
ながら37%ホルムアルデヒド水溶液140部を30分
かけて添加した。この間蒸留により失われたフェノール
量は仕込んだフェノールに対して0.3%であった。そ
の後、140℃で1時間還流させながら反応を行った。
反応終了後、反応組成物をサンプリングしガスクロマト
グラフィーを用いて未反応フェノール量を測定した。そ
の後、実施例3と同様に、純水500部添加し、樹脂と
分離した水相を除去する水洗工程を3回行った。常圧蒸
留を行い130℃まで昇温し、5000Paの減圧度で
減圧蒸留を行って150℃まで昇温し、フェノール樹脂
Hを1074部得た。
ノール1000部、シュウ酸を10部添加し、100℃
に昇温し、37%ホルムアルデヒド水溶液690部を3
0分間かけて逐次添加し、100℃で1時間還流させな
がら反応させた。反応終了後、反応組成物をサンプリン
グしガスクロマトグラフィーを用いて未反応フェノール
量を測定した。その後、常圧蒸留を行い130℃まで昇
温し、5000Paの減圧下で減圧蒸留を行って190
℃まで昇温し、フェノール樹脂Jを957部得た。
ノール1000部、シュウ酸を10部添加し、100℃
に昇温し、37%ホルムアルデヒド水溶液690部を3
0分間かけて逐次添加し、100℃で1時間還流させな
がら反応させた。反応終了後、反応組成物をサンプリン
グしガスクロマトグラフィーを用いて未反応フェノール
量を測定した。その後、実施例3と同様に、純水500
部添加し、樹脂と分離した水相を除去する水洗工程を3
回行った。常圧蒸留を行い130℃まで昇温し、500
0Paの減圧下で減圧蒸留を行って150℃まで昇温
し、フェノール樹脂Kを972部得た。
ール樹脂について、特性について表1に示し、液体クロ
マトグラフィーチャートを図1〜3に示す。
ェノール樹脂について、特性について表2に示す。
たフェノール樹脂の量 2.数平均分子量、及び重量平均分子量:液体クロマト
グラフィーで測定 ・液体クロマトグラフィー:東ソー製GPCカラム(G
1000HXL:1本、G2000HXL:2本、G3
000HXL:1本)を用い、流量1.0ml/分、溶
出溶媒テトラヒドロフラン、カラム温度40℃の分析条
件で示差屈折計を検出器として用いてGPC測定した。
分子量は、実施例2の液体クロマトグラフィーチャート
(図2)で7核体のピーク位置である図3中のピークを
分子量730、3核体のピーク位置である図中7のピー
クを分子量306、フェノールのピーク位置である図3
中10のピークを分子量94として近似直線を引いて換
算した。 3.未反応フェノール量:ガスクロマトグラフィーで測
定した。 ・ガスクロマトグラフィー:JIS K0114に準
じ、2,5−キシレノールを内部標準として内部標準法
で測定した。
ノール溶液を25℃でキャノンフェンスケを用いて測定
した。 6.2核体量:液体クロマトグラフィーで測定したチャ
ートの面積比から求めた。 ・液体クロマトグラフィー:東ソー製GPCカラム(G
1000HXL:1本、G2000HXL:2本、G3
000HXL:1本)を用い、流量1.0ml/分、溶
出溶媒テトラヒドロフラン、カラム温度40℃の分析条
件で示差屈折計を検出器として用いてGPC測定し、分
子量は標準ポリスチレンにより換算した。
施例で得られたノボラック型フェノール樹脂は比較例に
よるフェノール樹脂に比べて分子量分布が狭く、未反応
フェノールが少なく反応収量も高い。また、表2の結果
から明らかなように実施例7、8で得られたフェノール
樹脂は、実施例6で得られたフェノール樹脂に比べて
は、分子量分布が狭く、未反応フェノールが少なく反応
収量も高い。
より、未反応フェノール類が少なく、かつ、分子量分布
が狭いノボラック型フェノール樹脂を高収率で得ること
ができる。
ロマトグラフィーチャート。
ロマトグラフィーチャート。
ロマトグラフィーチャート。
Claims (3)
- 【請求項1】 フェノール類とアルデヒド類とを、有機
ホスホン酸を触媒として反応することを特徴とするノボ
ラック型フェノール樹脂の製造方法。 - 【請求項2】 フェノール類とアルデヒド類とを有機ホ
スホン酸を触媒として反応するノボラック型フェノール
樹脂の製造方法において、反応系中の水分を30重量%
以下、反応温度を110〜200℃として反応すること
を特徴とするノボラック型フェノール樹脂の製造方法。 - 【請求項3】 有機ホスホン酸が、一般式(1)で示さ
れるものである請求項1又は2記載のノボラック型フェ
ノール樹脂の製造方法。 R−PO(OH)2 (1) (Rは、炭素原子を含み、かつ、−COOH及び又は−
PO(OH)2 を含む基である)
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