JP2004526824A - ビニル芳香族−アリル型アルコール共重合体の製造 - Google Patents

ビニル芳香族−アリル型アルコール共重合体の製造 Download PDF

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Abstract

スチレン−アリルアルコール(SAA)共重合体などのビニル芳香族−アリル型アルコール共重合体の製造方法が開示される。この方法は溶媒の存在下で行われる。これにより、ヒドロキシル官能価が低く分子量も低い共重合体の製造が可能になる。この方法で製造されたSAA共重合体は、平均ヒドロキシル官能価が約4未満である。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、ビニル芳香族−アリル型アルコール共重合体の製造に関する。詳細には、本発明は、低分子量および低ヒドロキシル官能価を有する共重合体の製造に関する。
【背景技術】
【0002】
スチレン−アリルアルコール(SAA)共重合体は既知である。米国特許第2,588,890号および第2,630,430号は、触媒としての酸素の存在下にスチレンとアリルアルコールを共重合することを教示している。こうして製造されたSAA共重合体は、ゲル含有率が高く特性が劣る。
【0003】
米国特許第2,894,938号および第2,900,359号は、酸素の不存在下に有機過酸化物を開始剤として用いてスチレンとアリルアルコールを共重合することを教示している。アリルアルコール、スチレン、および開始剤を反応器に仕込み、反応混合物を重合温度(180℃〜300℃)に加熱することによって、バルクプロセスで重合を行う。SAA共重合体は、ゲル含有率が低く官能価が4より大きい。
【0004】
米国特許第2,940,946号は、SAA共重合体を製造するセミバッチプロセスを教示している。このプロセスは、初めにアリルアルコール、開始剤、およびスチレンの一部を反応器に仕込み、残りのスチレンを重合中に徐々に反応混合物に添加することによって行われる。共重合体は、色が薄く熱安定性が改良されている。
【0005】
米国特許第5,444,141号および第5,886,114号は、初めにアリルアルコール、スチレンの一部、および開始剤の一部を反応器に仕込み、残りのスチレンと開始剤を重合中に徐々に反応混合物に添加することによってSAA共重合体を製造することを教示している。この方法では、米国特許第2,940,946号に開示された方法と比べて実質的により高い収率が得られる。
【0006】
米国特許第6,103,840号は、米国特許第5,444,141号の改良方法を教示している。この方法は、スチレンと開始剤添加時の反応温度を上昇させることによって行われる。この方法では、SAA共重合体のさらに高い収率が得られる。
【0007】
既知の方法のすべては、溶媒を使用せずに行われている。これらの方法では、触媒として酸素を使用せずに、ヒドロキシル官能価(すなわち、ポリマー鎖当たりのヒドロキシル基の数)が4より大きいSAA共重合体が決まって生成する。酸素を使用すると共重合体の官能価は低くなるが、ゲル含有率も高く他の特性も劣るものとなる。
【0008】
SAA−100およびSAA−101は、数十年にわたって工業的に製造されている。これらは、スチレンとアリルアルコールの反復単位が、それぞれ、モル比70/30および60/40である。これらのSAA共重合体はヒドロキシル含有率またはヒドロキシル価(OH#、SAA−100:200mgKOH/g;SAA−101:255mgKOH/g)が異なるが、これらのヒドロキシル官能価(約5)は本質的に同じである。共重合体のヒドロキシル官能価が高いと、SAAをベースにしたコーティングは架橋密度が高くなる。しかし、官能価が高いと、多くの領域でこの共重合体の利用が制限される。例えば、ポリエステル樹脂の合成では、SAAはゲルの形成を引き起こすおそれがある。
【0009】
SAA共重合体のヒドロキシル官能価を低下させる試みが行われてきた。重合中のアリルアルコールの濃度を低下させることによってヒドロキシル官能価を低下させることを試みるかもしれない。しかし、このアプローチは失敗する。現行のSAA重合方法では、アリルアルコールの使用が少ないと、本質的に分子量の高いポリマーが得られるからである。例えば、SAA−103は最近導入されたものであるが、これは、アリルアルコールの反復単位が約20モル%にすぎない(ヒドロキシル価:125mgKOH/g)。驚くべきことに、SAA−103のヒドロキシル官能価は、SAA−100またはSAA−101よりもさらに高い(約7)。SAA−103のヒドロキシル基の濃度は低いが鎖もかなり長いので、ポリマー鎖当たりのヒドロキシル基の数はSAA−100またはSAA−101より実際には多い。
【0010】
SAA共重合体を製造する新しい方法が必要である。理想的には、この方法は、ヒドロキシル官能価が低く分子量も低いSAA共重合体を製造するものである。
(発明の概要)
本発明は、ビニル芳香族モノマーとアリル型アルコールの共重合体の製造方法である。この方法は、アリル型アルコールと、ビニル芳香族モノマー総使用量の0〜50%と、ラジカル開始剤総使用量の0〜100%と、ビニル芳香族モノマー総量の10重量%以上の有機溶媒とを反応器に仕込むことで開始される。次いで、約100℃〜約185℃の範囲内の温度で反応混合物を加熱する。残りのビニル芳香族モノマーおよび開始剤は、重合中に速度を下げながら反応混合物に添加する。
【0011】
驚くべきことには、本発明の方法で溶媒を使用すると、分子量およびヒドロキシル官能価のいずれもが低いビニル芳香族−アリル型アルコール共重合体が得られることがわかった。
(発明の詳細な記載)
本発明の方法では、初めにアリル型アルコールを反応器に仕込む。本方法で有用なアリル型アルコールは、一般構造式
【0012】
【化1】
Figure 2004526824
【0013】
を有することが好ましい。ただし、Rは、水素、C1〜C10アルキル基、またはC6〜C10アリール基から選択される。適当なアリル型アルコールの例としては、アリルアルコール、メタリルアルコール、および2−エチル−2−プロペン−1−オールが挙げられる。アリル型アルコールの混合物を使用することができる。市販されており低価格なので、アリルアルコールが好ましい。
【0014】
使用するアリル型アルコールの量は多くの要因で決まる。要因には、共重合体の所望のヒドロキシル価、反応温度、使用するビニル芳香族モノマーの量、使用する開始剤の量、およびビニル芳香族モノマーおよび開始剤の添加方法が挙げられる。アリル型アルコールの反応性が低いので、アリル型アルコールをどの程度使用すべきかを決めることはさらに複雑である。アリル型モノマーの反応性はビニル芳香族モノマーよりはるかに低い。モノマー反応性にこのように大きな差があるために、共重合体にアリル型アルコールが適切に組み込まれるように、反応混合物中に大過剰のアリル型アルコールが必要になる。一般に、25%を超える過剰のアリル型アルコールが必要になる。未反応のアリル型アルコールは、重合ののちポリマーから除去され再使用される。
【0015】
反応器には、初めにビニル芳香族モノマー総使用量の0〜50%が仕込まれる。適当なビニル芳香族モノマーは、芳香族基に−CR’=CH2基が結合していることが好ましい。R’は水素またはC1〜C10アルキル基である。適当なビニル芳香族モノマーの例は、スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、9−ビニルアントラセン、2−ビニルナフタレンなど、およびこれらの混合物である。スチレンが特に好ましい。使用するビニル芳香族モノマーの総量は、主として所望の共重合体組成で決まる。ビニル芳香族モノマーは本質的に完全に重合する。
【0016】
残りのビニル芳香族モノマーは、重合中に反応器へ速度を下げながら徐々に添加する。ビニル芳香族モノマーの少なくとも50%が、重合中徐々に反応混合物へ添加される。生成する共重合体の組成が比較的均一になるように、ビニル芳香族モノマーとアリル型アルコールの比を本質的に一定に保つことが好ましい。
【0017】
本方法では、初めに、ラジカル開始剤総量の0〜100%を反応器に仕込む。適当なラジカル開始剤には、過酸化物、ヒドロペルオキシド、パーエステル、アゾ化合物、および高分子工業で既知の他の多くが挙げられる。適当なラジカル開始剤の例には、過酸化水素、ジ−t−ブチルペルオキシド、t−ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、過安息香酸t−ブチル、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルなど、およびこれらの混合物が挙げられる。使用する開始剤の総量は多くの要因で決まるが、主として所望の重合速度で決まる。開始剤の使用量を増やすと、重合速度は速くなる。驚くべきことには、共重合体の分子量は、開始剤濃度を変化させても大きくは変わらない。
【0018】
総使用量の少なくとも50%の開始剤を、重合中徐々に反応器に添加することが好ましい。生成する共重合体の分子量分布が狭くなるように、ラジカル開始剤とビニル芳香族モノマーの比を実質的に一定に保つことも望ましいことである。
【0019】
本方法では、ビニル芳香族モノマー総量の10重量%以上の有機溶媒を反応器に仕込む。溶媒は、初めに反応器に仕込むことが好ましい。あるいは、初めに溶媒の一部を反応器に仕込み、残りを重合中に加える。ビニル芳香族モノマー総量の約20重量%を超える量の溶媒を使用することが好ましい。溶媒の量は、ビニル芳香族モノマー総量の約50重量%を超えることがより好ましい。適当な溶媒は、重合条件下で共重合体が溶解できるものである。適当な溶媒には、C4〜C18直鎖または環状脂肪族炭化水素、C6〜C18芳香族炭化水素、エステル、エーテル、ケトン、アルコール、グリコールエーテルなど、およびこれらの混合物が挙げられる。適当な溶媒の例は、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、メチルアミルケトン、酢酸ブチル、および酢酸プロピレングリコールメチルエーテルである。トルエンおよびキシレンが好ましい。驚くべきことには、有機溶媒を使用することにより、分子量が低くヒドロキシル官能価も低いSAA共重合体の製造が可能であることがわかった。
【0020】
重合は、約100℃〜約185℃の範囲内の温度で行われる。温度を上昇させると、ビニル芳香族モノマーとアリル型アルコールのモノマー反応性の差が減少するので、共重合体へのアリル型アルコールの組み込みが増加する。しかし、温度を上昇させると圧力も高くなるので、運転のリスクが増大する。アリルアルコールを使用する場合は、アリルアルコールが著しく有毒なので、重合は比較的低圧で行うことが好ましい。約125℃〜約165℃の温度で重合を行うことが好ましい。
【0021】
本発明は、本方法で製造された共重合体を含む。この共重合体は、ヒドロキシル官能価が低いことにより、当技術分野で既知のものとは異なる。この共重合体は、平均ヒドロキシル官能価が約4未満である。この共重合体は、平均ヒドロキシル官能価が約1.5〜約2.5であることが好ましい。本発明の方法で製造された共重合体は、ヒドロキシル官能価が低いだけではなく、ゲル含有率が実質的にゼロである。「ゲル」とは、ポリマーが重合中に架橋し、部分的に溶媒に不溶になることを意味する。ポリマーのゲル含有率がゼロであると、その溶液は透明である。さらに、この共重合体の溶液粘度は、既存の製品よりはるかに低い。
【0022】
共重合体は、数平均分子量が約1,000〜約3,000であり、分子量分布が約1.5〜約5.5であることが好ましい。共重合体は、ヒドロキシル価が約30mgKOH/g〜約150mgKOH/gであることが好ましい。本方法で製造される好ましい共重合体は、スチレン−アリルアルコール共重合体である。
【0023】
以下の実施例は単に本発明を説明するだけである。当分野の技術者なら、本発明の精神および特許請求の範囲内にある多くの変更を思いつくことであろう。
【0024】
実施例1 低官能価SAAの製造
撹拌機、オイル加熱ジャケット、温度調節器、窒素パージ装置、真空蒸留装置、および添加ポンプを備えた1リットルのステンレス鋼反応器に、アリルアルコール(40g)とキシレン(175g)を仕込む。スチレン(250g)とT−hydro 70(30g、t−ブチルヒドロペルオキシドの70%水溶液、Lyondell Chemicalの製品)を混ぜ、5℃に冷却し、窒素でパージし、次いで添加ポンプに仕込む。反応器を窒素で3回パージし、密封し、内容物を145℃に加熱する。反応温度を145℃に保持しながら、スチレンと開始剤の混合物を、5時間かけて速度を下げながら徐々に反応器に添加する。添加速度は、1時間目:90g、2時間目:75g、3時間目:60g、4時間目:40g、および5時間目:15gである。モノマーと開始剤を添加した後、反応混合物をさらに0.5時間145℃に保持する。未反応モノマーと溶媒を真空蒸留で除去する(最高温度:150℃)。固形のSAA共重合体を25℃で反応器から排出する。SAA共重合体は、数平均分子量(Mn)1800、重量平均分子量(Mw)4400、ヒドロキシル価(OH#)64.1mgKOH/g、およびTg:66℃である。平均ヒドロキシル官能価(MnとOH#に基づいて計算)は2.06である。
【0025】
実施例2 低官能価SAAの製造
実施例1と同じ装備の1リットルのステンレス鋼反応器に、アリルアルコール(62.5g)、スチレン(37g)、ジ−t−ブチルペルオキシド(7.5g)、およびキシレン(175g)を仕込む。追加のスチレン(175g)とジ−t−ブチルペルオキシド(6.7g)を混ぜ、5℃に冷却し、窒素でパージし、次いで添加ポンプに仕込む。反応器を窒素で3回パージし、密封し、内容物を155℃に加熱する。反応温度を155℃に保持しながら、スチレンと開始剤の混合物を、8時間かけて速度を下げながら徐々に反応器に添加する。添加速度は、1時間目:34.7g、2時間目:33.0g、3時間目:28.8g、4時間目:25.2g、5時間目:21.0g、6時間目:18.4g、7時間目:12.7、および8時間目:7.9gである。モノマーと開始剤を添加した後、反応混合物をさらに0.5時間155℃に保持する。未反応モノマーと溶媒を除去する。固形のSAA共重合体を25℃で反応器から排出する。SAA共重合体は、Mn1910、Mw3990、OH#61.8mgKOH/g、およびTg65℃である。平均ヒドロキシル官能価は2.1である。
【0026】
実施例3 低官能価SAAの製造
実施例2を繰り返す。ただし、重合温度は155℃ではなく145℃である。SAA共重合体は、Mn2380、Mw5610、OH#60.6mgKOH/g、およびTg73.8℃である。平均ヒドロキシル官能価は2.57である。
【0027】
実施例4 低官能価SAAの製造
実施例2を繰り返す。ただし、反応器には、62.5グラムではなく125グラムのアリルアルコールを仕込み、重合温度は155℃ではなく145℃である。SAA共重合体は、Mn2164、Mw4690、OH#94.7mgKOH/g、およびTg64.7℃である。平均ヒドロキシル官能価は3.65である。
【0028】
比較例5 SAA−100の製造
米国特許第5,444,141号の方法に従って、溶媒不存在下でSAA共重合体を製造する。したがって、アリルアルコール(500g)、スチレン(67g)、およびジ−t−ブチルペルオキシド(16g)を、実施例1と同じ装備の1リットルのステンレス鋼反応器に仕込む。窒素で3回パージした後、反応器を密封し、内容物を145℃に加熱する。ジ−t−ブチルペルオキシド(8g)をスチレン(234g)と混ぜ、この混合物を、145℃で7時間かけて、1時間目:50g、2時間目:45g、3時間目:40g、4時間目:35g、および5時間目:30g、6時間目:24g、7時間目:18gと速度を下げながらポンプで反応器に送る。さらに0.5時間、145℃で加熱を続ける。未反応モノマーを除去する。SAA共重合体(322g)は、OH#199mgKOH/g、Mn1500、およびMw3400である。ヒドロキシル官能価は5.3である。
【0029】
比較例6 S
AA−100の製造
アリルアルコール(500g)、スチレン(67g)、およびジ−t−ブチルペルオキシド(16g)を、実施例1と同じ装備の1リットルのステンレス鋼反応器に仕込む。窒素で3回パージした後、反応器を密封し、内容物を135℃に加熱する。スチレン(134g)を、135℃で5時間かけて、1時間目:48g、2時間目:32g、3時間目:24g、4時間目:18g、および5時間目:12gと速度を下げながらポンプで反応器に送る。さらに0.5時間、135℃で加熱を続ける。未反応モノマーを除去する。SAA共重合体(208g)は、OH#195mgKOH/g、Mn1430、およびMw3400である。ヒドロキシル官能価は5.0である。
【0030】
比較例7 SAA−101の製造
アリルアルコール(500g)、スチレン(43g)、およびジ−t−ブチルペルオキシド(12g)を、実施例1と同様の1リットルのステンレス鋼反応器に仕込む。窒素で3回パージした後、反応器を密封し、内容物を145℃に加熱する。ジ−t−ブチルペルオキシド(6g)をスチレン(151g)と混ぜ、この混合物を、145℃で7時間かけて、1時間目:34g、2時間目:29g、3時間目:26g、4時間目:23g、5時間目:19g、6時間目:15g、および7時間目:11gと速度を下げながらポンプで反応器に送る。さらに0.5時間、145℃で加熱を続ける。未反応モノマーを除去する。SAA共重合体(209g)は、OH#251mgKOH/g、Mn1100、およびMw2260である。ヒドロキシル官能価は4.9である。
【0031】
比較例8 SAA−103の製造
米国特許第5,886,114号の方法に従って、溶媒不存在下でSAA−103を製造する。したがって、アリルアルコール(1,000g)、スチレン(353g)、およびジ−t−ブチルペルオキシド(76g)を、実施例1と同様の装備ではあるが、モノマー添加ポンプと開始剤添加ポンプとを別々に備えた5リットルのステンレス鋼反応器に仕込む。窒素で3回パージした後、反応器を密封し、内容物を145℃に加熱する。スチレン(1225g)をモノマー添加ポンプに仕込み、ジ−t−ブチルペルオキシド(35.8g)を開始剤添加ポンプに仕込む。スチレンとジ−t−ブチルペルオキシドを、速度を下げながら145℃で7時間かけて徐々に反応器に添加する。スチレンの添加速度は、1時間目:246g、2時間目:235g、3時間目:207g、4時間目:179g、および5時間目:150g、6時間目:129g、および7時間目:89gである。ジ−t−ブチルペルオキシドの添加速度は、1時間目:8.0g、2時間目:6.5g、3時間目:6.0g、4時間目:5.0g、5時間目:4.5g、6時間目:3.5g、および7時間目:2.5gである。さらに0.5時間、145℃で加熱を続ける。未反応モノマーを除去する。SAA共重合体(1492g)は、OH#125mgKOH/g、Mn3200、およびMw8400である。ヒドロキシル官能価は7.1である。
【0032】
要約すれば、溶媒を使用する本発明の方法では、ヒドロキシル官能価が4未満のSAA共重合体が得られる(実施例1〜4参照)。さらに興味深いことに、この方法により、ヒドロキシル官能価が約2のSAA共重合体を製造することができる(実施例1〜3参照)。これに対して、溶媒を添加しないと、SAA共重合体はヒドロキシル官能価が4より大きい(比較例5〜8参照)。
【0033】
実施例9 SAA共重合体の溶液粘度
SAA共重合体を、表2に挙げた様々な溶媒に固形分50重量%で溶解する。この溶液のブルックフィールド粘度を25℃で測定する。表2に示すように、実施例1の新規なSAA共重合体は、溶液粘度が市販のSAA共重合体よりかなり低い。この低粘度により、この新規なSAA共重合体は固形分が極めて高いコーティングに有用である。
【0034】
【表1】
Figure 2004526824

Claims (17)

  1. ビニル芳香族モノマーとアリル型アルコールの共重合体の製造方法において、
    (a)アリル型アルコールと、ビニル芳香族モノマー総使用量の0〜50%と、ラジカル開始剤総使用量の0〜100%と、ビニル芳香族モノマー総量の約10重量%以上の有機溶媒とを反応器に仕込むステップと、
    (b)約100℃〜約185℃の範囲内の温度で反応混合物を加熱するステップと、
    (c)残りのビニル芳香族モノマーとラジカル開始剤を、速度を下げながら、反応混合物に徐々に添加するステップとを含む方法であって、製造される共重合体の平均ヒドロキシル官能価が約4未満である方法。
  2. 共重合体のヒドロキシル官能価が、約1.5〜約2.5の範囲内である、請求項1に記載の方法。
  3. ビニル芳香族モノマーが、スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  4. アリル型アルコールが、アリルアルコール、メタリルアルコール、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  5. アリル型アルコールがアリルアルコールである、請求項1に記載の方法。
  6. ビニル芳香族モノマーがスチレンである、請求項1に記載の方法。
  7. アリル型アルコールがアリルアルコールであり、ビニル芳香族モノマーがスチレンである、請求項1に記載の方法。
  8. 請求項1に記載の方法で製造される共重合体。
  9. 数平均分子量が約1,000〜約3,000の範囲内である、請求項8に記載の共重合体。
  10. 分子量分布が約1.5〜約5.5の範囲内である、請求項8に記載の共重合体。
  11. ヒドロキシル価が約30〜約150mgKOH/gの範囲内である、請求項8に記載の共重合体。
  12. ビニル芳香族モノマーが、スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項8に記載の共重合体。
  13. ビニル芳香族モノマーがスチレンである、請求項8に記載の共重合体。
  14. アリル型アルコールが、アリルアルコールおよびメタリルアルコールからなる群から選択される、請求項8に記載の共重合体。
  15. アリル型アルコールがアリルアルコールである、請求項8に記載の共重合体。
  16. 実質的にゲル含有率がゼロである、請求項8に記載の共重合体。
  17. スチレン−アリルアルコール共重合体を酸素不存在下で製造する方法において、
    (a)アリルアルコールと、スチレン総使用量の0〜50%と、ラジカル開始剤総使用量の0〜100%と、ビニル芳香族モノマー総量の約10重量%以上の芳香族溶媒とを反応器に仕込むステップと、
    (b)約100℃〜約185℃の範囲内の温度で反応混合物を加熱するステップと、
    (c)残りのスチレンとラジカル開始剤を、速度を下げながら、反応混合物に徐々に添加するステップとを含む方法であって、製造される共重合体の平均ヒドロキシル官能価が約4未満である方法。
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