JP2005029707A - ポリケトン - Google Patents
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Abstract
Description
ポリケトンの末端構造は、重合に用いる反応媒体又は添加剤の種類によって変化することが知られている。非特許文献1には、メタノール中でのポリケトンの重合反応において、以下の化学式(4)〜(9)に示す機構が提唱されている。この機構によると、アルキルエステル末端(化学式(4)及び(8))、及びアルキルケトン末端(化学式(5)及び(9))が生成することが示されている。なお、化学式中、Lnはリン二座配位子を、Polはポリケトン重合体分子鎖を表す。
以上のように、従来、優れた熱安定性、耐アルカリ性及び耐酸性末端を有するポリケトンは見出されていなかつた。
(1) 少なくとも一つの末端が化学式(1)で示されるイソプロピル基(末端基A)を有するポリケトンであって、(末端基A/全末端基)の当量比が0.30〜1.00であることを特徴とするポリケトン。
(4) アルキルケトン基が化学式(3)で示されるエチルケトン基であることを特徴とする(2)に記載のポリケトン
(6) (1)に記載のポリケトンからなる繊維。
(7) (6)に記載のポリケトン繊維からなるゴム補強材。
(8) (6)に記載のポリケトン繊維からなるコンクリート補強材。
本発明のポリケトンは、少なくとも1つの末端が、化学式(1)で示されるイソプロピル末端構造を有する点に一つの特徴がある。その結果、本発明のポリケトンは、従来ポリマーをはるかにしのぐ高い熱安定性、耐アルカリ性及び耐酸性を有する。
本発明のポリケトンの製造法は限定されないが、簡易なプロセスで工業的効率的に製造するという観点から、高い重合活性であることが望まれる。以下に好ましい製造方法について説明する。
この効果を生じさせる為のイソプロパノールの使用量には制限はなく、通常、工業的に使用できる範囲が用いられる。その親和性を制御する成分として、プロトン性化合物及び/又は非プロトン性化合物を使用することができる。
本発明において、ポリケトンの重合に用いられる金属錯体触媒は、周期律表(無機化学命名法(1993)東京化学同人)の第10族元素のパラジウムを含む化合物と、第15族元素の原子を有する二座配位子と、pKaが4以下の酸の陰イオンとを混合することによって得られる金属錯体からなる触媒である。
配位子の使用量も制限されるものではないが、パラジウム化合物1モル当たり、好ましくは0.1〜10モル、より好ましくは1〜5モルである。
酸の陰イオンの使用量は、パラジウム化合物1モル当たり、好ましくは0.1〜1000モル、より好ましくは1〜100モル、最も好ましくは3〜10である。
重合温度は70〜200℃である。重合温度が70℃未満では、末端基比が0.30〜1.00のポリケトンが得られない。重合温度が200℃を越えると、重合活性が高く、生産性は高くなるが、得られるポリケトンの分子量が極端に低くなり、機械的・熱的特性を発揮することができない。
ポリケトンの収量(kg)/[Pd量(g)×重合時間(hr)]
重合活性が低くても重合時間を長くすればポリケトン中のPd元素量を少なくすることもできるが、重合時間を長くした場合には、触媒の失活を抑制するために多量の酸化剤を必要とし、得られるポリケトンの分子量分散度が広がる等の問題が生じる。また、同一量のポリケトンを製造した場合、重合活性が低い場合には、末端基比が0.30未満になる。そのため、重合活性は15kg/g−Pd・hr以上であることが好ましい。生産性及び得られる原料に用いるPdのコストの観点から、重合活性は、より好ましくは20kg/g−Pd・hr以上、最も好ましく30kg/g−Pd・hr以上である。
本発明のポリケトンの重合方式には制限はなく、公知の重合方式、製造プロセスを用いることができる。例えば、重合方式として、液状媒体を使用する懸濁重合法、少量のポリマーに高濃度の触媒溶液を含浸させる気相重合法等が用いられ、プロセスとしては、回分式プロセス及び連続式プロセスのいずれであってもよい。
一酸化炭素及びエチレンは反応容器の気相部分及び液相部分のいずれの相に供給してもよいが、重合の均一性及び重合溶剤への溶解性の観点から液相内に供給することが好ましい。反応容器は、オートクレーブ型、チューブラー型等、いずれであってもよい。反応容器内壁はグラスライニング、テフロン(登録商標)ライニング、電解研磨等の表面処理を施したものが好ましい。オートクレーブ型の反応容器を用いる場合には、複数の反応容器を直列に連結して、2段階以上の多段で重合を行ってもよい。
本発明のポリケトンには、種々のエチレン性不飽和化合物を使用できるが、実質上、エチレンのみを用いることが好ましい。すなわち、エチレンと一酸化炭素の完全交互共重合構造(化学式(10)に示す1−オキソトリメチレン構造)であることが好ましい。
本発明のポリケトンの形状は、通常の液相重合では、平均粒径0.01〜2mmのポリマーが得られ、気相又は固相重合では、更に大きな粒径のポリマーを得ることができる。本発明のポリケトンの嵩密度は、通常、0.05〜0.30g/cm3の範囲であり、用途により、反応溶媒の極性等変えることにより制御が可能である。本発明のポリケトンの比表面積は、使用する溶媒により異なるが、一般に10〜30m2/gの範囲のポリマーを得ることができる。
本発明のポリケトンを、公知の方法によって、無機塩系溶剤、例えば、塩化カルシウム/塩化亜鉛/塩化リチウム系の溶剤に溶解し、湿式紡糸法により、繊維の製造に用いることができる。紡口から一旦、空気中に吐出されたポリケトン溶液を、無機塩系凝固剤、例えば、塩化カルシウム/塩化亜鉛/塩酸系の希薄水溶液中に導いて繊維状に凝固させ、洗浄、乾燥を行った後、延伸することによって高強度の繊維を製造することができる。
本発明のポリケトンを溶融成形又は湿式成形によってフィルム、膜を製造することもできる。
(1)極限粘度([η])
極限粘度[η]は、数式(1)により求められる値である。
0.03質量%のテトラメチルシランを含有するd化クロロホルム0.125mlとd化−ヘキサフルオロイソプロパノール0.875mlの混合溶液にポリケトン12mgを溶解し、日本電子社製FT−NMR(商品名:α−400)を用いて、1H−NMRの測定を行う。テトラメチルシランを基準ピーク(0ppm)として以下の方法で求める。
1.25ppm付近に観察されるピーク:−COO(CH3)2(末端基Aに対応するピーク)の面積Aと、他の末端基のピーク(例えば、他の末端基が−COCH2CH3のみならば1.08ppm付近に観測されるピーク)の面積をBとして、1末端基に存在するHの数を考慮して、この場合、A/6/(A/6+B/3)を末端基比とする。
重量平均分子量(Mw)を以下の方法で求める。
(1)で求めた極限粘度[η]から、特開平4−228613公報に記載のm−クレゾールによる換算式を、ヘキサフルオロイソプロパノールによる補正を加えて、換算式、[η]=0.5×Mw0.85×10−4 を用いて求める。
数平均分子量(Mn)を以下の方法で求める。
(2)と同様の手法で1H−NMRの測定を行い、全末端量(1.25ppm付近のピーク面積A及び他の末端基のピークの面積B)とポリケトンの主鎖部のピーク面積Cとそれぞれの水素数から数式(2)により求める。
以上のようにして、MwとMn値を求め、分子量分散度(Mw/Mn)を算出する。
試料5mgを窒素雰囲気下でアルミニウムパンに封入し、パーキンエルマー社製示差熱測定装置Pyris1(商標)を用いて下記条件で測定を行う。
サンプル質量: 5mg
雰囲気 : 窒素、流量=200mL/分
温度条件 :(a)20℃で1分間保持
(b)20℃→300℃ (昇温速度=20℃/分)
温度条件(b)で観察される吸発熱曲線において、200℃〜300℃の範囲に観測される最大の吸熱ピークの面積から計算される熱量ΔH(J/g)より下記式により算出する。
結晶化度 = ΔH/225 × 100 (%)
ポリケトンを塩化亜鉛65g、水35gからなる塩化亜鉛水溶液に添加混合し、80℃で2時間攪拌しドープとする。塩化亜鉛水溶液で溶解するポリケトンの濃度は、ドープの粘度が300〜500(N・sec/m2)となるようにポリケトンの極限粘度に応じて変更する。
さらに、このドープを80℃に保温したまま24時間保持し、24時間保持前後のドープについて、東京計器(株)社製B8H型粘度計を用いて80℃における溶液粘度を測定する。ドープ調製直後の溶液粘度をη0、24時間保温後の溶液粘度をη24とした時に、下記式により求められる溶液粘度増加率を溶剤安定性の指標とする。
溶液粘度増加率=(η24−η0)/η0 × 100 (%)
この溶液粘度増加率が小さいほど、金属塩溶剤中での変性が少なく溶剤安定性に優れる。
溶液粘度増加率≦50% : 良好
溶液粘度増加率≧50〜100%: 不良
溶液粘度増加率≧100% : 極めて不良
JIS−L−1013に基づいて測定する。
酢酸パラジウム2.5マイクロモル、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン3.0マイクロモル、硫酸12.5マイクロモル、1,4−ベンゾキノン25マイクロモル及びイソプロパノール250ミリリットルを、窒素置換したステンレス製500ml容のオートクレーブに投入した。オートクレーブを密閉後、25℃、2.0MPaで3回窒素置換を行った。
実施例1において、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入を内温が90℃に達した時点で行ったことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、4.6gのポリケトンを得た。重合活性は8.7kg/g−Pd・hr、[η]は5.4dl/gであった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とエチル末端を有しており、その末端基比は0.68であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は60%、嵩密度は0.04g/ml、Mnは11.5、分子量分散度は3.17であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が42.0%であり、良好な特性を有していた。
実施例1において、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入方法を内温が75℃に達した時点で5.5MPaになるまで加えたことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、1.9gのポリケトンを得た。重合活性は3.6kg/g−Pd・hr、[η]は7.5dl/gという高い値であった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とエチル末端を有しており、その末端基比は0.89であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は59%、嵩密度は0.15g/ml、Mnは18.9、分子量分散度は2.83であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が41.0%であり、良好な特性を有していた。
実施例1において、イソプロパノール250mlをメタノール250mlに替えたことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、6.6gのポリケトンを得た。重合活性は12.5kg/g−Pd・hr、[η]は1.2dl/gであった。このポリケトンはメトキシ末端とエチル末端を有しており、イソプロピル末端基Aは存在していなかった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は54%、嵩密度は0.18g/ml、Mnは1.22、分子量分散度は5.08であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が105.5%と不安定なドープであった。
実施例1において、イソプロパノール250mlをターシャリーブタノール250mlに替えたことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、2.4gのポリケトンを得た。重合活性は4.6kg/g−Pd・hr、[η]は6.7dl/gであった。このポリケトンはターシャリーブチル末端とエチル末端を有しており、イソプロピル末端基Aは存在していなかった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は68%、嵩密度は0.04g/ml、Mnは14.3、分子量分散度は3.28であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が98%と不安定なドープであった。
実施例1において、酢酸パラジウムを1.25マイクロモル、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパンを1.5マイクロモルに代え、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入を内温が120℃に達した時点で15.0MPaになるまで加え、反応時間を2時間から4時間に替えたことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、35.1gのポリケトンを得た。重合活性は66.1kg/g−Pd・hr、[η]は2.6dl/gであった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とエチル末端を有しており、その末端基比は0.35であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は78%、嵩密度は0.05g/ml、Mnは4.7、分子量分散度は3.28であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が44.0%であり、良好な特性を有していた。
実施例1において、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入を内温が90℃に達した時点で15.0MPaになるまで加え、反応時間を2時間から4時間に替えたことを除いて、実施例1と同様の操作を行ったところ、31.6gのポリケトンを得た。重合活性は29.8kg/g−Pd・hr、[η]は5.6dl/gという高い値であった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とエチル末端を有しており、その末端基比は0.71であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は83%、嵩密度は0.14g/ml、Mnは15.0、分子量分散度は2.53であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が28.0%であり、良好な特性を有していた。
実施例5において、イソプロパノール250mlをメタノール250mlに変え、硫酸の使用量を125マイクロモル及び、1,4−ベンゾキノンの使用量を250マイクロモルに代え、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入を内温が80℃に達した時点で行ったことを除いて、実施例5と同様の操作を行ったところ、22.5gのポリケトンを得た。重合活性は21.2kg/g−Pd・hr、[η]は5.1dl/gであった。このポリケトンはメトキシ末端とエチル末端を有しており、イソプロピル末端基Aは存在していなかった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は52%、嵩密度は0.24g/ml、Mnは8.78、分子量分散度は3.87であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が95%であり、不安定なドープであった。
実施例5において、イソプロパノール250mlをイソプロパノール125mlとメタノール125mlの混合溶媒に変えたことを除いて、実施例5と同様の操作を行ったところ、32.1gのポリケトンを得た。重合活性は30.3kg/g−Pd・hr、[η]は2.6dl/gであった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とメトキシ末端とエチル末端を有しており、その末端基比は0.13であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は53%、嵩密度は0.10g/ml、Mnは5.10、分子量分散度は3.02であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が87%であり、不安定なドープであった。
実施例2において、一酸化炭素とエチレンの等モル混合気体の投入を、先に1MPaまでプロペンを投入してから行ったことを除いて、実施例2と同様の操作を行ったところ、7.6gのポリケトンを得た。重合活性は14.3kg/g−Pd・hr、[η]は2.7dl/gであった。このポリケトンはイソプロピル末端(末端基A)とエチル末端及びプロピル末端を有しており、その末端基比は0.47であった。
このポリケトンを解析した結果、結晶化度は61%、嵩密度は0.08g/ml、Mnは4.4、分子量分散度は3.66であった。このポリケトンのドープは、溶液粘度増加率が47.0%であり、良好な特性を有していた。
以上の実施例及び比較例で得られたポリケトンの特性値を表1に示す。
実施例2で重合したポリケトンを、塩化カルシウム30質量%/塩化亜鉛22質量%/塩化リチウム10質量%を含有する水溶液に溶解して、ポリケトン濃度6.5質量%のドープを得た。得られたドープを80℃に加温し、紡口径0.15mmφ、ホール数50の紡口より10mmのエアーギャップを通した後に、2質量%の塩化カルシウム、1.1質量%の塩化亜鉛、0.5質量%の塩化リチウム及び0.1質量%の塩酸を含有する−2℃の水溶液からなる凝固浴中に押し出した。紡糸性は良好で、紡糸中に押出圧力の上昇、紡口詰まり、糸切れ等のトラブルは一度も生じなかった。
実施例5で重合したポリケトンを、実施例7と同じ条件、方法で紡糸、洗浄、乾燥、延伸を行った。紡糸性は良好で紡糸中に押出圧力の上昇や紡口詰まり、糸切れ等のトラブルは一度も生じなかった。
得られた繊維は、強度18.2cN/dtex、伸度5.3%、弾性率440cN/dtexであり、産業資材として極めて優れた熱的、機械的特性を有していた。
比較例3で重合したポリケトンを、実施例7と同じ条件、方法で紡糸、洗浄、乾燥、延伸を行った。紡糸の過程で、紡口詰まりや糸切れ等は観察されなかったが、紡糸途中で30%の押出圧力の上昇が観察され、紡糸終了時に紡口から押し出されたドープは薄い黄色に着色していた。
得られた繊維は、強度16.9cN/dtex、伸度4.6%、弾性率380cN/dtexであった。
実施例7、8及び比較例5で得られた繊維の物性を表2に示す。
Claims (8)
- 結晶化度が60〜95%であることを特徴とする請求項1記載のポリケトン。
- 一酸化炭素とエチレン性不飽和化合物を共重合させてポリケトンを製造する方法において、パラジウム化合物と、第15族元素の原子を有する二座配位子と、pKaが4以下の酸の陰イオンとを混合することによって得られる金属錯体触媒の存在下で、反応溶媒または添加剤としてイソプロパノールを用い、一酸化炭素とエチレン性不飽和炭素とを、温度が70〜200℃の条件下で反応させることを特徴とする請求項1記載のポリケトンの製造方法。
- 請求項1記載のポリケトンからなる繊維。
- 請求項6項記載のポリケトン繊維からなるゴム補強材。
- 請求項6項記載のポリケトン繊維からなるコンクリート補強材。
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