JP2004502805A - ブロックコポリエステル - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明はコポリエステルに関し、特にブロックコポリエステルに関する。
【0002】
背景
熱可塑性エラストマーの既知のカテゴリーはポリエステルエラストマーであり、それは様々な用途に使用され、例えば、チューブ、ベルト又は成形品であって、例えば、インジェクションモールディングによって製造されるものにおいて使用されることができる。このようなポリエステルエラストマーは、通常、硬質で結晶性のポリエステル(または「ハード」セグメント)を含み、通常、ポリエチレンテレフタレート(PET)又はポリブチレンテレフタレート(PBT)などの芳香族ポリエステルを含み、それは非結晶性材料(または「ソフト」セグメント)で変性されている。硬質で結晶性のセグメントは軟質で非結晶性のセグメントと1つのポリマー鎖中で化学結合している。この材料において、ハードセグメントは集合して、材料に対して強度及び硬度を付与する結晶領域を形成している。同様に、ソフトセグメントは別個の相で集合して、材料に可撓性を付与している。PBTはそれが容易に結晶化されることから、最も一般に使用されるハードセグメントである。ソフトセグメントは、通常、ポリエーテルであり、例えば、ポリテトラメチレングリコール(PTMEG)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール(PPG)、又は、エチレンオキシド/プロピレンオキシドブロックコポリマーである。ポリエーテルの利点はそれが熱、酸化及びUVに対して感受性であることを含む。別のソフトセグメントは、アジペートエステル又はポリカプロラクトンなどの脂肪族ポリエステルを含み、それは加水分解に感受性であることがある。さらに、合成の間にトランスエステル化が起こる傾向にあり、それにより、ハードセグメント及び/又はソフトセグメントの破断が生じ、結果として、要求される特性を失うことになる。特に、コポリエステルが高い融点及び低いガラス転移点の両方を有することが求められている。
【0003】
先行技術のレビュー
米国特許第4,031,165号明細書は、チタンタイプの触媒及びリン化合物の存在下にブロックコポリエステルを製造するための方法を請求している。
【0004】
英国特許第2,203,425号明細書は二量体化された脂肪酸に関し、そしてこの二量体化脂肪酸を用いてポリエステルを形成することを記載している。英国特許第2,203,425号明細書の教示により製造されるポリエステルはホモポリエステル又はランダムコポリエステルである。
【0005】
特開平11−080336号公報はダイマー酸、テレフタル酸及びポリオキシエチレングリコールから形成される非結晶性部分及びブチレンテレフタレートから形成される結晶性部分を有する。
【0006】
発明の要旨
上記の課題の少なくとも1つを低減するか又は実質的に克服するブロックコポリエステルが今回、驚くべきことに発見された。
【0007】
したがって、本発明はハードセグメントとソフトセグメントとを含むブロックコポリエステルであって、前記コポリエステルの融点が200℃以上でありかつガラス転移温度が−40℃以下である、ブロックコポリエステルを提供する。
【0008】
本発明は、また、ハードセグメントとソフトセグメントとを含むブロックコポリエステルであって、コポリエステルは融点がハードセグメントの融点よりも20℃未満の差で低く、そしてコポリエステルはガラス転移温度がソフトセグメントのガラス転移温度よりも20℃未満の差で高いブロックコポリエステルを提供する。
【0009】
本発明は、さらに、本明細書中に記載されるとおりのブロックコポリエステルの製造方法を提供し、その方法では、予備形成されたハードセグメントの存在下にソフトセグメントをその場で形成し、ハードセグメント及びソフトセグメントの両方を形成するために同一のジオールが使用される。
【0010】
ポリエステルハードセグメントの組成は広い範囲で変化できる。ポリエステルは好ましくは芳香族ポリエステルである。ハードセグメントの形成に使用するための適切な芳香族ジカルボン酸及び/又はそのエステル誘導体は、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルジカルボン酸又はそれらの混合物を含む。テレフタル酸及び/又はそのエステル誘導体は特に好ましい。ハードセグメントは好ましくは50モル%より多量の、より好ましくは70モル%より多量の、特に90モル%より多量の、特に95モル%より多量で100モル%以下の芳香族ジカルボン酸及び/又はそのエステル誘導体を含む。ジカルボン酸の残部(100モル%まで)は(存在するならば)、適切には、アジピン酸、セバシン酸又はシクロヘキサンジカルボン酸などの脂肪族ジカルボン酸から構成されることができる。
【0011】
ハードセグメントの形成に使用するのに適切なジオール又はグリコールはエチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、トリメチレングリコール、テトラメチレングリコール及びシクロヘキサンジメタノールなどの脂肪族ジオール、又は、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパンなどの芳香族ジオールを含む。ハードセグメントは好ましくは50モル%より多量の、より好ましくは70モル%より多量の、特に90モル%より多量の、特に95モル%より多量で100モル%以下の脂肪族グリコール、好ましくはエチレングリコール及び/又は1,4−ブタンジオールから形成される。
【0012】
本発明の特に好ましい態様において、ハードセグメントはポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート又はそれらの混合物であり、特にポリブチレンテレフタレートである。
【0013】
ハードセグメントは好ましくは数平均分子量が1000〜30,000であり、より好ましくは2,000〜15,000であり、好ましくは2,500〜10,000であり、そして特に3,000〜5,000である。
【0014】
ハードセグメントは好ましくは融点(Tm)が200〜280℃であり、より好ましくは210〜270℃であり、特に215〜255℃であり、特に220〜230℃である。
【0015】
ポリエステルソフトセグメントは好ましくは脂肪族ポリエステルである。このポリエステルは好ましくはダイマー脂肪酸及び/又はそのエステル誘導体及び/又はダイマー脂肪族ジオールから形成される。
【0016】
用語「ダイマー脂肪酸」は当業界によく知られており、モノもしくはポリ不飽和脂肪酸の二量体化生成物を指す。好ましいダイマー酸はC10〜C30、より好ましくはC12〜C24、特にC14〜C22、特にC18アルキル鎖のダイマーである。結果的に、好ましいダイマー酸は20〜60、より好ましくは24〜48、特に28〜44、特に36個の炭素原子を含む。適切なダイマー脂肪酸はオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、パルミトレイン酸、エライジン酸又はエルカ酸の二量体生成物を含む。天然脂肪及び天然油、例えば、ヒマワリ油、大豆油、オリーブ油、ナタネ油、綿実油及びタル油の加水分解において得られる不飽和脂肪酸混合物の二量体化生成物も用いられてよい。
【0017】
ダイマー脂肪酸に加えて、二量体化では、通常、種々の量のオリゴマー脂肪酸(いわゆるトリマー)及びモノマー脂肪酸残留物(いわゆるモノマー)又はそのエステルが存在することになる。モノマーの量は、例えば、蒸留により低減されうる。特に好ましいダイマー脂肪酸はジカルボン酸(又はダイマー)含有分が95質量%を超え、より好ましくは97.5質量%を超え、特に98.5質量%を超えそして特に99.0質量%を超える。
【0018】
ソフトセグメントは好ましくは50モル%より多量の、より好ましくは70モル%より多量の、特に90モル%より多量の、特に95モル%より多量で100モル%までのダイマー脂肪酸及び/又はそのエステル誘導体から形成される。ジカルボン酸の残部(100モル%まで)は(存在するならば)、適切には、非ダイマー脂肪族ジカルボン酸及び/又はそのエステル誘導体から形成されることができる。好ましい材料は6〜20、より好ましくは8〜12個の炭素原子の炭素鎖を有する末端カルボキシル基を有する直鎖状ジカルボン酸、例えば、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ヘプタンジカルボン酸、オクタンジカルボン酸、ノナンジカルボン酸、デカンジカルボン酸、ウンデカンジカルボン酸、ドデカンジカルボン酸及びそれらの高級類似体である。
【0019】
適切なジオールはハードセグメントの形成について上記したもので同一の濃度範囲のものを含む。又は、対応するダイマー酸の水素化によって製造されうるダイマー脂肪族ジオールを用いてよい。このように、ソフトセグメントは、ソフトセグメントを形成するために使用されるジカルボン酸及び/又はそのエステル誘導体及びジオールの合計量を基準として、好ましくは25モル%より多量の、より好ましくは35モル%より多量の、特に45モル%より多量の、特に47.5モル%より多量で50モル%以下のダイマー脂肪酸又はダイマー脂肪族アルコール又はそれらの混合物から形成される。
【0020】
本発明によるコポリエステルのソフトセグメントは好ましくは少なくとも1個の、より好ましくは1〜20個の、より好ましくは1〜15個の、特に2〜10個の、特に2〜5個のエステル結合を含む。
【0021】
ソフトセグメントはガラス転移温度(Tg)が−80℃〜−40℃、より好ましくは−75℃〜−45℃、特に−70℃〜−50℃、特に、−65℃〜−55℃である。
【0022】
ソフトセグメントは好ましくは数平均分子量が500〜7,500、より好ましくは700〜5,000、特に900〜2,500、特に1,000〜1,500である。
【0023】
ブロックコポリエステル中に存在するハードセグメント対ソフトセグメントの比は、重量%基準で、1〜20:1であり、2〜15:1であり、特に3〜10:1であり、特に4〜6:1である。
【0024】
ブロックコポリエステルは好ましくは1〜35、より好ましくは2〜20、特に3〜10、特に4〜6個のハードセグメント及びソフトセグメントの両方の別個のブロックを含む。コポリエステルは数平均分子量が5,000〜100,000、より好ましくは15,000〜80,000、特に25,000〜60,000、特に30,000〜40,000である。
【0025】
ブロックコポリエステルは好ましくは90質量%より多量の、より好ましくは95質量%より多量の、特に98質量%より多量の、本明細書中に規定されるとおりのハードポリエステルセグメント及びソフトポリエステルセグメントを含み、特に、本質的に100質量%の上記セグメントからなる。このように、本発明によるブロックコポリエステルは少量の他の材料(例えば、本明細書中に開示されるとおりのジカルボン酸及びジオール以外の)を含んでよく、好ましくは10質量%未満、より好ましくは5質量%未満、特に2質量%未満の非ポリエステル材料、例えば、ポリエチレンを含んでよい。
【0026】
ブロックコポリエステルは好ましくは融点(Tm)が200〜280℃であり、より好ましくは210〜265℃であり、特に215〜245℃であり、特に220〜225℃である。本発明の特に好ましい態様において、コポリエステルの融点はハードセグメントの融点よりも適切には20℃未満の差で、好ましくは15℃未満の差で、より好ましくは10℃未満の差で、特に8℃未満の差で、特に5℃未満の差で低い。ハードセグメントの融点とは、ハードセグメントの単離成分、例えば、約10,000以上の数平均分子量を有するような成分の単離成分の融点を意味する。このため、ハードセグメントがブチレンテレフタレートから形成されている場合には、ハードセグメント、すなわち、ポリブチレンテレフタレートの融点は225℃である。
【0027】
ブロックコポリエステルはガラス転移温度(Tg)が好ましくは−80〜−40℃、より好ましくは−70〜−45℃、特に−65〜−50℃、特に−60〜−55℃である。本発明の特に好ましい態様において、ガラス転移温度はソフトセグメントのガラス転移温度よりも適切には20℃未満の差で、好ましくは12℃未満の差で、より好ましくは10℃未満の差で、特に7℃未満の差で、特に4℃未満の差で高い。ソフトセグメントのガラス転移温度とは、ソフトセグメントの単離成分のガラス転移温度を意味する。このため、ソフトセグメントがC36ダイマー脂肪酸(及び、例えば1,4−ブタンジオール)から形成されている場合には、ソフトセグメントのガラス転移温度は−60℃である。
【0028】
本発明によるブロックコポリエステルはハードセグメントを予備形成し、そしてハードセグメントの存在下にソフトセグメントをその場で形成することにより製造できる。上記の方法はハードセグメント及びソフトセグメントの両方を形成するために同一のジオールを使用するときに、特にハードセグメントがポリブチレンテレフタレートであり、すなわち、ハードセグメント及びソフトセグメントの両方を形成するために1,4−ブタンジオールを使用する場合に特に有利である。または、ブロックコポリエステルは、また、ハードセグメント及びソフトセグメントの両方を予備形成し、その後に、例えば、ハードセグメント及びソフトセグメント両方のホモポリマーの反応押出によるなどで、それらを一緒に反応させることにより製造することもできる。得られたブロックコポリエステルは固相重合(SSP)によってさらに重合されて、コポリエステルの分子量が増加されてもよい。
【0029】
ブロック化の度合いは、本明細書中に記載されるとおりの%トランスエステル化度を測定することにより表現されることができ、本発明によるブロックコポリエステルは好ましくは75%未満、より好ましくは15〜65%、特に25〜55%、特に30〜45%の%トランスエステル化度を有する。
【0030】
ブロックコポリエステルは本明細書中に記載されるとおりに測定して以下の熱安定性を有し、空気中にて150℃で2000時間加熱した後の伸びの保持率が65%を超え、好ましくは75%を超え、より好ましくは80%を超え、特に85%を超え、特に90%を超えそして100%以下である。
【0031】
ブロックコポリエステルは、本明細書中に記載されるとおりに測定して以下の加水分解安定性を有し、沸騰水中で600時間加熱した後の伸びの保持率が65%を超え、好ましくは75%を超え、より好ましくは80%を超え、特に85%を超え、特に90%を超えそして1000%以下である。
【0032】
本明細書中に記載されるブロックコポリエステルは、熱可塑性エラストマーが通常に使用される様々な用途、例えば、ベアリング及びシール、ベルト、ブーツ及びベロー、コイル状チューブ、強化ハウジング、電気ケーブル、電気製品用電気スイッチ、及び全てのタイプの自動車部品に使用できる。ブロックコポリエステルは良好な熱/酸化安定性が要求される用途、例えば、車のためのケーブル及び定速ジョイントブーツなどの自動車産業におけるアンダーザボンネット用途に特に適切である。本発明によるブロックコポリエステルは改良された熱安定性及び高融点を提供する。
【0033】
本発明は以下の制限しない実施例により例示される。
例
本明細書において、以下の試験方法を用いた。
(i)Mettler DSC30を用いて示差走査熱量測定(DSC)によってガラス転移温度(Tg)を測定した。
(ii)数平均分子量をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって決定した。
(iii)コポリエステルの1H NMRスペクトルをJEOL GSX 400MHz溶液状態NMRを用いて得た。コポリマー中のハードセグメント及びソフトセグメントの濃度を関連するピークから決定し、その情報を用いて、コポリマーが完全にランダムであるという仮定で、隣接するジカルボン酸とグリコールの共鳴についての理論値を計算した。隣接するジカルボン酸及びグリコールの共鳴についての実際の値をスペクトルから測定し、そしてランダムコポリマーについての理論値の百分率として表記する。この値をコポリマーの%トランスエステル化度と呼び、100%が完全にランダムであり、%値が低くなるほど、ランダム度が低く、そして高いほど、コポリマーのブロック化度が高い。
(iv)150℃の空気中で2000時間、ブロックコポリエステルを加熱し、その後、ASTM D−412によって伸びの%保持率を測定することによりブロックコポリエステルの熱安定性を決定した。
(v)沸騰水中600時間、コポリエステルを加熱し、その後、ASTM D−412によって伸びの%保持率を測定することによりブロックコポリエステルの加水分解安定性を測定した。
【0034】
例1
(i)ブチレンテレフタレートモノマーの合成
474gのジメチルテレフタレート及び660gの1,4−ブタンジオールを2リットル丸底フラスコ中に入れた。フラスコは凝縮器、ビグレックス(vigreux)蒸留カラム、窒素インレット及びメカニカルスターラを装備していた。この反応器をアイソマントル中に入れ、160℃の温度にゆっくりと加熱した。この点で、反応器の内容物を攪拌しながら、少量の純粋な1,4−ブタンジオールとともに予備混合した248mgのテトラブチルチタネート触媒を注入した。反応を200℃で1時間続けた。反応の間に生じたメタノール蒸気をビグレックス蒸留カラム及び組み合わされた凝縮器を介して除去された。製品の組成は82重量%のブチレンテレフタレート(NMRにより確認して)及び18重量%の1,4−ブタンジオールであった。
(ii)PBTハードセグメント/ブロックコポリエステルの合成
上記で製造された100gのブチレンテレフタレートを、真空ポンプ及び窒素インレットを装備した柱状反応容器に入れ、そして200℃に加熱した。真空を課しそして1mBarに安定的に増加させて、ブチレンテレフタレートとともに存在する残留1,4−ブタンジオールを低減した。残留ブタンジオールの90%が除去されたときに真空を取り除いた。窒素流を加え、そして50ppmのチタンをテトラブチルチタネート触媒の形態で導入した。温度を250℃に上げ(増加速度=1℃/分)、そして再び真空を課した。この点で、過半量の1,4−ブタンジオールは除去され、重縮合反応が進行し、PBTプレポリマーが生成した。1時間後に、真空を取り除き、温度を230℃に下げた。窒素正流下の54gのPripol 1009(ダイマー脂肪酸)(Uniqemaから)及び32gの1,4−ブタンジオール(さらなる30ppmのチタンを含む)とともに70ppmのリン酸を加えた。温度をさらに250℃に上げ、再び、真空を課した。成長しているポリマーの粘度の増加によるスターラーの速度の低下を観測することにより反応をモニターした。1時間後に、所望の溶融粘度が得られ、そして生成物を取り出して、水中にクエンチし、そして12時間までの時間35〜40℃で乾燥した。
【0035】
ハードセグメント、ソフトセグメント及びブロックコポリエステルは本明細書中に記載される方法を用いて測定された以下の特性を示した。
ハードセグメント
(a)Tg=44℃
(b)Tm=225℃
ソフトセグメント
(a)Tg=−60℃
ブロックコポリエステル
(a)Tg=−53.3℃
(b)分子量(Mn)=32,000
(c)Tm=217.3℃
(d)トランスエステル化=45%
【0036】
例2
(i)ダイマー脂肪酸ホモポリマーの合成
83gのブタンジオール及び65mgのテトラブチルチタネート触媒を、凝縮器、窒素フロー及びメカニカルスターラを装備した500ml丸底フラスコに入れた。反応器をアイソマントルに入れ、140℃の温度にゆっくりと加熱した。183gのPripol 1009(ダイマー脂肪酸)(Uniqemaから)を滴下漏斗を介して徐々に添加し、それにつれて、温度は160℃までゆっくりと上昇した。80分後、ダイマー脂肪酸を完全に添加したとき、温度は180℃に上がった。反応が進行したときに、水をビグレックス蒸留カラムを用いて除去し、凝縮しそして別のフラスコに回収した。90分後に反応を止めた。生成物の組成はダイマー脂肪酸/1,4−ブタンジオールオリゴマー(89%w/w)及び1,4−ブタンジオール(11%w/w)の混合物であった。混合物をガラスチューブ反応器に入れ、170℃の温度に加熱し、そして窒素流下に機械攪拌した。真空を安定的に課し、そして15分後に、温度を190℃に上げ、そして反応をさらに20分間続けダイマー脂肪酸ホモポリマーを製造した。
【0037】
(ii)PETハードセグメント/ブロックコポリエステルの合成
100gのビスヒドロキシエチレンテレフタレートを、真空ポンプ及び窒素インレットを装備した柱状反応容器に入れ、そして260℃に加熱した。窒素流を課しそして50ppmのチタンをテトラブチルチタネート触媒の形態で導入した。窒素流を止め、真空を1mBarまでゆっくりと課した。温度を260℃に維持し、高真空によってエチレングリコール副生成物を除去し、コールドトラップに回収した。30分後に、真空を取り除き、窒素を再び課し、20mgのリン酸を添加した。温度を290℃に1℃/分の速度で上げ、そして再び真空を課した。60分後に、真空を取り除き、37mgのコバルト(II)アセテート四水和物を窒素流下に導入し、そして再び真空を課した。30分後、真空を取り除き、窒素を再び課し、上記で製造したダイマー酸ホモポリマー54gを添加した。重合反応を高真空下にさらに90分間行い、ポリマーを取り出し、水中でクエンチし、そして12時間までの時間、35〜40℃で乾燥した。
【0038】
ハードセグメント、ソフトセグメント及びブロックコポリエステルは本明細書中に記載される方法を用いて測定された以下の特性を示した。
ハードセグメント
(a)Tg=75℃
(b)Tm=251℃
ソフトセグメント
(a)Tg=−60℃
ブロックコポリエステル
(a)Tg=−55℃
(b)分子量(Mn)=33,000
(c)Tm=239℃
(d)トランスエステル化=45.6%
【0039】
上記の実施例は本発明によるブロックコポリエステルの改良された特性を例示している。
Claims (10)
- ハードセグメントとソフトセグメントとを含むブロックコポリエステルであって、前記コポリエステルは融点が200℃以上でありかつガラス転移温度が−40℃以下である、ブロックコポリエステル。
- 前記コポリエステルのガラス転移温度は−70℃〜−45℃である、請求項1記載のコポリエステル。
- 前記コポリエステルの融点は210℃〜265℃である、請求項1または2記載のコポリエステル。
- 前記コポリエステルのガラス転移温度は前記ソフトセグメントのガラス転移温度よりも20℃未満の差で高い、請求項1〜3のいずれか1項記載のコポリエステル。
- 前記コポリエステルの融点は前記ハードセグメントの融点よりも20℃未満の差で低い、請求項1〜4のいずれか1項記載のコポリエステル。
- %トランスエステル化度は75%未満である、請求項1〜5のいずれか1項記載のポリエステル。
- 前記ソフトセグメントは少なくとも1種のダイマー脂肪酸及び/又はダイマー脂肪族ジオール及び/又はその同等物から形成されたものである、請求項1〜6のいずれか1項記載のコポリエテル。
- 前記ハードセグメントはポリブチレンテレフタレートである、請求項1〜7のいずれか1項記載のコポリエステル。
- ハードセグメントとソフトセグメントとを含むブロックコポリエステルであって、前記コポリエステルの融点は前記ハードセグメントの融点よりも20℃未満の差で低く、前記コポリエステルのガラス転移温度は前記ソフトセグメントのガラス転移温度よりも20℃未満の差で高い、ブロックコポリエステル。
- 予備形成されたハードセグメントの存在下に、ソフトセグメントがその場で形成され、ハードセグメントおよびソフトセグメントの両方を形成するために同一のジオールを使用する、請求項1〜9のいずれか1項記載のブロックコポリエステルの製造方法。
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