JP2004346166A - 脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生分解性を有する脂肪族ポリエステルカーボネートの製造方法を提供する。
【解決手段】コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーより脂肪族ポリエステルオリゴマーを得、該オリゴマーと結合剤とを反応して得られることを特徴とする脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーの含有量が０．６重量％以下である脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、成形材料としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン等プラスチックス材料が大量に使用され消費されてきた。これらのプラスチックス材料の一部はリサイクルされる物もあるが、一般に回収された後、消却処理や土中埋設処理等の処理を受ける。しかし回収に多大な労力及び費用を要するため、あるいは回収が困難なため回収されずに放置される場合がある。近年、これらの環境問題に対して、自然環境の中で分解する高分子素材の開発が要望されるようになり、その中でも特に微生物によって分解されるプラスチックは、環境適合性材料や新しいタイプの機能性材料として大きな期待が寄せられている。
【０００３】
本発明者らは、生分解性、成形性、機械物性のバランスの取れた脂肪族ポリエステルカーボネート樹脂を開発し、環境問題の解決に取り組んできた（特許文献１参照）。更なる物性、用途等に関する研究の結果、フィルム等に成形した後長時間放置すると、成型品表面への析出物による外観特性の低下が見られることが明らかとなった。この析出物を分析したところ、主として、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマー（各々２分子反応したもの）を主成分とする環状オリゴマーであることが見いだされた。
【０００４】
脂肪族ポリエステル系樹脂中の環状オリゴマーの低減方法としては、公知の製造法で可能である。例えば、該粒状樹脂と有機溶剤及び／または水とを接触させる抽出法、樹脂を溶融、減圧下で表面更新できる槽型反応器、横型反応器、ベント付き２軸押出機等で行う脱揮処理法が例示されるが、ポリマーを製造後に環状オリゴマーを除去する工程が必要であった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１９３１２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、製造工程中に、環状オリゴマーの成型品表面への析出物が実用上問題とならない量、つまり脂肪族ポリエステル系樹脂中の環状２量体オリゴマーの含有量を０．６重量％以下に減少させ、成型品の表面への析出物を抑制し、外観特性の優れた、後加工、用途分野で障害のない脂肪族ポリエステル系樹脂の製造法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、すでに脂肪族ポリエステル系樹脂、特に１，４−ブタンジオールを主成分とした脂肪族ジヒドロキシ化合物と、コハク酸を主成分とした脂肪族ジカルボン酸とから得られる脂肪族ポリエステルオリゴマーとジフェニルカーボネートとを溶融重合させることにより得られる脂肪族ポリエステルカーボネートの成型品の表面析出物について検討した結果、表面析出物が主として、１，４−ブタンジオールとコハク酸からなる環状２量体オリゴマー（各々２分子反応したもの）を主成分とする環状オリゴマーであることを確認している。本発明者らは、脂肪族ポリエステル系樹脂を、主として１，４−ブタンジオールとコハク酸からなる環状オリゴマーの開環重合により製造し、前述の環状２量体オリゴマーの含有量を０．６重量％以下にすることにより、成型品表面への析出物を抑制できることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち本発明は、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーより脂肪族ポリエステルオリゴマーを得、該オリゴマーと結合剤とを反応して得られることを特徴とする脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法に関するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による脂肪族ポリエステル樹脂の製造方法を、脂肪族ポリエステルカーボネートを一例として示す。
【００１０】
本発明による脂肪族ポリエステルカーボネートの製造法は、主としてコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーから開環重合反応により脂肪族ポリエステルオリゴマーを得る第１工程と、第１工程で得られた脂肪族ポリエステルオリゴマーとカーボネート化合物とを反応させ、脂肪族ポリエステルカーボネートを得る第２工程より構成される。
【００１１】
第１工程は、触媒の存在下、温度１００〜２５０℃で、主としてコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーとジヒドロキシ化合物を加熱攪拌する。反応に伴って過剰のジヒドロキシ化合物を除去しながら、数平均分子量１０，０００以下の脂肪族ポリエステルオリゴマーを製造する工程である。環状オリゴマーが留出しないよう反応初期には常圧にて反応を行うが、最終的には、反応を促進する目的で４０ｋＰａ以下の減圧とすることが好ましい。
【００１２】
第２工程は、第１工程で得られた脂肪族ポリエステルオリゴマーとカーボネート化合物とを反応させる工程であり、高分子量体とする工程である。触媒の存在下、通常１５０〜２５０℃で行われ、反応に伴って副成するヒドロキシ化合物が除去される。カーボネート化合物の沸点によっては反応初期には加圧とする。減圧度を調節して最終的には０．４ｋＰａ以下の減圧とすることが好ましい。
【００１３】
本発明において、原料として用いる環状オリゴマーとは、主としてコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状１量体オリゴマーから環状１５量体オリゴマーであり、好ましくは、環状１量体オリゴマーから５量体オリゴマーである。環状オリゴマーの製造方法としては、主としてコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる脂肪族ポリエステル系樹脂から有機溶剤で抽出する方法、溶液中でコハク酸と１，４−ブタンジオールを反応させ合成する方法、脂肪族ポリエステル系樹脂を酵素で分解する方法等が例示される。
【００１４】
脂肪族ポリエステルカーボネート中のカーボネート単位含有量は、脂肪族ポリエステルオリゴマーの末端水酸基量を制御することにより所望の割合とすることができる。カーボネート単位含有量が多すぎると、得られる脂肪族ポリエステルカーボネートの融点が低くなり、実用的耐熱性を有するポリマーが得られない。一方、カーボネート単位含有量が多くなると微生物による分解性が高くなる。従って、カーボネート単位含有量は、適度の生分解性を有し、かつ実用的な耐熱性を実現し得る量とすることが好ましく、本発明においては脂肪族ポリエステルカーボネート中のカーボネート単位含有量を、少なくとも３モル％以上、通常５〜３０モル％とすることが好ましい。
【００１５】
本発明による脂肪族ポリエステルカーボネートの製造に用いられるカーボネート化合物の具体的な例としては、ジフェニルカーボネート、ジトリールカーボネート、ビス（クロロフェニル）カーボネート、ｍ−クレジルカーボネートなどのジアリールカーボネートを、また、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジアミルカーボネート、ジオクチルカーボネート等の脂肪族カーボネート化合物を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。また、フェノール、アルコール類の様なヒドロキシ化合物から誘導される、同種、又は異種のヒドロキシ化合物からなるカーボネート化合物や環状カーボネート化合物も使用できる。カーボネート化合物の使用量は、脂肪族ポリエステルオリゴマーの末端水酸基に対して０．４０〜０．６０倍モル量が特に好ましい。
【００１６】
脂肪族ポリエステルカーボネート樹脂の分子量はスチレン換算のＧＰＣによる重量平均分子量で１０万以上が望ましい。１０万以下では所望の強度が達成されない。
【００１７】
上記の脂肪族ポリエステルカーボネートの他に、製造される脂肪族ポリエステル系樹脂としては、ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネート・アジペート等が挙げられ、結合剤として多価イソシアネート化合物、ジエポキシ化合物、酸無水物などを添加、反応させて連鎖延長を行い、分子量をさらに高めることもできる。多価イソシアネート化合物としては、例えばイソシアネート基を２個以上有する化合物で、具体例としては、ヘキサメチレンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等が挙げられる。多価イソシアネート化合物の添加量は、脂肪族ポリエステルオリゴマー１００重量部に対し０．１〜１５重量部であり、より好ましくは０．５〜５重量部である。
【００１８】
得られた脂肪族ポリエステル系樹脂中の環状オリゴマー量は、環状オリゴマーの成型品への析出が実用上問題とならない量、つまりコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマー含有量が０．６重量％以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明で使用される触媒は、エステル交換触媒から選ばれるが、特にＹ、Ｌａ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの何れかの化合物が少なくとも１種類からなり、原料混合物１００重量部に対して、５×１０^−５〜１重量部の範囲で用いられる。触媒として好ましい化合物の形態としては、脂肪酸塩類、水酸化物、アルコラート、フェノラート、アセチルアセトナート、ベンゾイルアセトナート、ハロゲン化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酸化物等種々あげられる。
【００２０】
本発明の方法により製造された脂肪族ポリエステル系樹脂の使用に際しては、改質剤、充填剤、滑剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、安定剤、顔料、着色剤、各種フィラー、静電気防止剤、離型剤、可塑剤、香料、抗菌剤、等の各種添加剤の他に、生分解性を主として熱可塑性樹脂、エラストマー、木粉、でんぷん、等を加え変成することができる。
【００２１】
また、本発明の成型品は、本発明を用いて製造された樹脂を成型した物品であり、具体的な成型形態、成型方法としては、射出成型品、押し出し成型品、真空圧空成型品、ブロー成型品、繊維、マルチフィラメント、モノフィラメント、ロープ、織物、網、編み物、不織布、フィルム、シート、ラミネート、容器、発泡体、エマルジョン、接着剤、各種部品、その他の成型品が例示されるがそれらに限定されるものではない。
【００２２】
【実施例】
次に実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
本実施例において、分子量はクロロホルムを溶媒としてＧＰＣ（昭和電工（株）製ＧＰＣ Ｓｙｓｔｅｍ−２１Ｈ使用）によりスチレン換算のＭｗ、Ｍｎとして測定した。環状２量体オリゴマー量は、ポリマーをアセトン溶液で抽出後、分離した母液を濃縮し、ジクロロメタン溶液で希釈後、ガスクロマトグラフィー（島津製作所ＧＣ１４Ｂ）により分析した。
【００２３】
（コハク酸と１，４−ブタンジオールよりなる環状オリゴマーの調整）
コハク酸、１，４−ブタンジオール及び触媒としてオルトチタン酸テトラ−ｎ−ブチル四量体より得られた重量平均分子量２５，０００の脱水重縮合ポリマーを１０倍量のアセトニトリル中で２日間抽出した。ポリマーを濾別後、濾液を濃縮し、コハク酸−１，４−ブタンジオールからなる直鎖状オリゴマーを含む粗環状オリゴマーが得られた。さらにエタノールによる再結晶を行い、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーが得られた。得られた環状オリゴマーは、純度９４重量％のコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーであり、その他成分は環状３量体オリゴマー等であった。
【００２４】
実施例１
攪拌機、分留コンデンサー、温度計、ガス導入管を付けた２００ミリリットル丸形フラスコに、環状オリゴマー３０．０ｇ（８７ｍｍｏｌ）、１，４−ブタンジオール８．０ｇ（８９ｍｍｏｌ）、ジルコニウムアセチルアセトネート０．０２ｇ及び酢酸亜鉛２水和物０．１ｇを添加し、窒素雰囲気下で温度２２０℃にて２．５時間反応した。つづいて、２０ｋＰａにて３０分、さらに５．３ｋＰａにて３０分攪拌し、未反応の１，４−ブタンジオールを留出除去させた。得られた脂肪族ポリエステルオリゴマーの数平均分子量は３８００であった。また、水酸基価は７６．１ＫＯＨｍｇ／ｇ、酸価は２．１６ＫＯＨｍｇ／ｇであり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーを、０．４２重量％含有していた。
【００２５】
次いで、得られた脂肪族ポリエステルオリゴマー２５．００ｇとその末端水酸基に対し０．５０５倍モルのジフェニルカーボネート３．６７１ｇに酢酸亜鉛１３ｍｇを添加し、温度２２５℃で最終的に１ｍｍＨｇの減圧とし４時間反応した。得られた高分子量体は、ＧＰＣの測定による重量平均分子量が２６１，０００であり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーの含有量は０．３２重量％であった。また厚さ５０ミクロンのプレスフィルムを成形し、得られたフィルムを２３℃、湿度５０％の環境にて、３ヶ月間保管した後、外観を目視にてオリゴマー析出の有無を判定した結果、外観に変化はなかった。
【００２６】
実施例２
実施例１にて得られた脂肪族ポリエステルオリゴマー２５．００ｇとその末端水酸基に対し０．５００倍モルのジイソシアン酸ヘキサメチレン２．８６０ｇに酢酸亜鉛１３ｍｇを添加し、温度２２５℃で最終的に１３３Ｐａの減圧とし４時間反応した。得られた高分子量体は、ＧＰＣの測定による重量平均分子量が２４５，０００であり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーの濃度は０．３１重量％であった。また厚さ５０ミクロンのプレスフィルムを２３℃、湿度５０％の環境にて３ヶ月間保管した後、外観を目視にてオリゴマー析出の有無を判定した結果、外観に変化はなかった。
【００２７】
実施例３
攪拌機、分留コンデンサー、温度計、ガス導入管を付けた２００ミリリットル丸形フラスコに、環状オリゴマー３０．０ｇ（８７ｍｍｏｌ）、１，４−ブタンジオール８．０ｇ（８９ｍｍｏｌ）、ジルコニウムアセチルアセトネート０．０２ｇ及び酢酸亜鉛２水和物０．１ｇを添加し、窒素雰囲気下で温度２２０℃にて２．５時間反応した。つづいて、２０ｋＰａにて３０分、５．３ｋＰａにて３０分攪拌し、さらに４００Ｐａ以下にて１時間３０分反応し、未反応の１，４−ブタンジオールを留出除去させた。得られた脂肪族ポリエステルオリゴマーの数平均分子量は４５００であった。また、水酸基価は３３．０ＫＯＨｍｇ／ｇ、酸価は０．４１ＫＯＨｍｇ／ｇであり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーを、０．３４重量％含有していた。
【００２８】
次いで、得られた脂肪族ポリエステルオリゴマー２５．００ｇとその末端水酸基に対し０．５００倍モルのジフェニルカーボネート１．５７６ｇに酢酸亜鉛１３ｍｇを添加し、温度２２５℃で最終的に１ｍｍＨｇの減圧とし４時間反応した。得られた高分子量体は、ＧＰＣの測定による重量平均分子量が２３６，０００であり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーの含有量は０．２７重量％であった。また厚さ５０ミクロンのプレスフィルムを２３℃、湿度５０％の環境にて、３ヶ月間保管した後、外観を目視にてオリゴマー析出の有無を判定した結果、外観に変化はなかった。
【００２９】
比較例１
攪拌機、分留コンデンサー、温度計、ガス導入管を付けた２００ミリリットル丸形フラスコに、コハク酸、９４．４７ｇ（０．８０モル）、１，４−ブタンジオール９７．３３ｇ（１．０８モル）及びジルコニウムアセチルアセトネート３．８ｍｇを仕込み、窒素雰囲気下で温度２２０℃にて１時間反応し水を留出させた。つづいて、１５０ｍｍＨｇにて１時間１５分、４０ｍｍＨｇにて４０分、さらに３ｍｍＨｇ以下にて１時間３０分攪拌し、水と１，４−ブタンジオールを留出させた。得られたプレポリマーの数平均分子量は４０００であった。また、水酸基価は６３．９ＫＯＨｍｇ／ｇ、酸価は０．５０ＫＯＨｍｇ／ｇであり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーを、０．８３重量％含有していた。
【００３０】
次いで、得られた脂肪族ポリエステルオリゴマー２５．００ｇ、その末端水酸基に対し０．５０５倍モルのジフェニルカーボネート３．０８２ｇに酢酸亜鉛１３ｍｇを添加し、温度２２５℃で最終的に１３３Ｐａの減圧とし４時間反応した。得られた高分子量体は、ＧＰＣの測定による重量平均分子量が２５６，０００であり、環状２量体の濃度は０．８１重量％であった。また厚さ５０ミクロンのプレスフィルムを２３℃、湿度５０％の環境にて３ヶ月間保管後、フィルム表面に白色物の析出が観察された。
【００３１】
比較例２
攪拌機、分留コンデンサー、温度計、ガス導入管を付けた２００ミリリットル丸形フラスコに、コハク酸、９４．４７ｇ（０．８０モル）、１，４−ブタンジオール９７．３３ｇ（１．０８モル）及びジルコニウムアセチルアセトネート３．８ｍｇを仕込み、窒素雰囲気下で温度２２０℃にて１時間反応し水を留出させた。つづいて、２０ｋＰａにて１時間１５分、５．３ｋＰａにて４０分、さらに４００ｋＰａ以下にて２時間３０分攪拌し、水と１，４−ブタンジオールを留出させた。得られたプレポリマーの数平均分子量は４４００であった。また、水酸基価は３５．０ＫＯＨｍｇ／ｇ、酸価は０．４２ＫＯＨｍｇ／ｇであり、コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーを、０．９４重量％含有していた。
【００３２】
次いで、得られた脂肪族ポリエステルオリゴマー２５．００ｇ、その末端水酸基に対し０．５０５倍モルのジフェニルカーボネート１．６７２ｇに酢酸亜鉛１３ｍｇを添加し、温度２２５℃で最終的に１３３Ｐａの減圧とし４時間反応した。得られた高分子量体は、ＧＰＣの測定による重量平均分子量が２３７，０００であり、環状２量体の濃度は０．９２重量％であった。また厚さ５０ミクロンのプレスフィルムを２３℃、湿度５０％の環境にて３ヶ月間保管した後、フィルム表面に白色物の析出が観察された。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係る脂肪族ポリエステル系樹脂は、環状オリゴマーが低減された上に、流動性、成形性に優れ、射出成型品、押し出し成型品、真空圧空成型品、ブロー成型品、繊維、マルチフィラメント、モノフィラメント、ロープ、網、織物、編み物、不織布、フィルム、シート、ラミネート、容器、発泡体、各種部品、接着剤、エマルジョン用途、その他の成型品を得るのに好適であり、得られる成形品は十分な機械的強度と耐熱性を有すると共に、海水中、土中、活性汚泥中、コンポスト中で容易に微生物により分解される。このため、包装材料、漁業、農業、食品分野その他のリサイクルが困難な用途に広く利用できる。

Claims (3)

1. コハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状オリゴマーより脂肪族ポリエステルオリゴマーを得、該オリゴマーと結合剤とを反応して得られることを特徴とする脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法。
2. 脂肪族ポリエステル系樹脂中のコハク酸と１，４−ブタンジオールからなる環状２量体オリゴマーの含有量が０．６重量％以下である請求項１記載の脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法。
3. 結合剤が、カーボネート化合物および／または多価イソシアネート化合物である請求項１または２記載の脂肪族ポリエステル系樹脂の製造方法。