JP2006517992A - α−メチルスチレンのアニオン重合法 - Google Patents

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Abstract

開始剤組成物の存在下でのアニオン重合による、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法において、開始剤組成物が水素化カリウムおよび少なくとも1種のアルミニウムオルガニルを含有することを特徴とする、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法。

Description

本発明は、開始剤組成物の存在下でのアニオン重合による、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法において、開始剤組成物が水素化カリウムおよび少なくとも1種のアルミニウムオルガニルを含有することを特徴とする、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法に関する。
更に、本発明は前記方法により得られるα−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマー、成形体、フィルム、繊維およびフォームを製造するためのこれらのホモポリマーおよびコポリマーの使用、および最後に前記ホモポリマーまたはコポリマーからの成形体、フィルム、繊維およびフォームに関する。
ポリ−α−メチルスチレンおよびα−メチルスチレンからのコポリマーは、ポリスチレンもしくはスチレンのコポリマーに比較して、特に改善された熱特性、例えば上昇した耐熱性、特に改善された耐熱変形性において優れている。スチレンホモポリマーまたはスチレンコポリマーを製造する際に、スチレンを全てまたは部分的にα−メチルスチレンに代えると、最高使用温度が明らかに高く、これにより要求の高い適用を可能にする、ポリマーもしくはそれから製造された成形品が得られる。
α−メチルスチレンのホモ−およびコポリマーの製造は、相応するスチレンのホモ−もしくはコポリマー製造と類似の方法で実施することができる。標準−ポリスチレン(GPPS、general purpose polystyrene)の製造および耐衝撃性ポリスチレン(HIPS、high impact polystyrene)の製造のためには、種々の連続的または非連続的、ラジカル性またはアニオン性、溶液中でまたは懸濁液中で進行する重合法が公知である、例えば、Ullmanns Enzyklopaedie der Technischen Chemie, Vol. A21, VCH Verlag Weinheim 1992, p615-625参照。HIPS法においては、ゴム(例えば、ポリブタジエンまたはスチレン−ブタジエン−ブロックコポリマー)が例えばアニオンまたはラジカルで製造され、モノマースチレン中に溶かされる。このスチレンはその後、例えばラジカルまたはアニオン重合される。ポリスチレン形成の経過において転相が生じる:最終生成物においてはゴム相がポリスチレンマトリックス中に分散している。
アニオン重合により得られる標準または耐衝撃性ポリスチレンはラジカル法により得られる生成物に対していくつかの利点を有する、特に僅かな残留モノマー含量およびオリゴマー含量を示す。ラジカル重合においては、反応はフリーラジカルを介して進行し、例えばペルオキシド開始剤を使用し、これに対してアニオン重合は“生存”カルバニオンを介して進行し、かつ例えばアルカリ金属−オルガニル化合物を開始剤として使用する。
アニオン重合はラジカル重合より、著しく迅速に進行し、かつ高い変換に導く。発熱反応の温度制御は、高い速度のために困難である。反応速度を低下させる、いわゆる抑制剤(例えば、Al−、Zn−またはMg−オルガニル化合物)の使用により、このことに対処することができる。反応混合物の粘度はアニオンゴム製造において一般に非常に迅速に上昇するので、不活性溶剤で希釈することが必要である。
DE−A19806772においては、アルカリ金属オルガニル(すなわちアルカリ金属アルキル、−アリールまたは−アラルキル)、例えばsec−ブチルリチウム、およびアルミニウムオルガニル、例えばトリイソブチルアルミニウム(TIBA)からなる開始剤組成物が開示されており、かつそのビニル芳香族化合物およびジエンの重合のための使用が記載されている。
US−PS3716495はa)オルガノリチウム化合物RLi(R=C〜C20−アルキル、−アリール、−シクロアルキル、−アルカリールまたは−アラルキル)、例えばn−またはsec−ブチルリチウム、b)金属オルガニルRM(R=前記のものを表すおよびM=2a族(アルカリ土類金属)、2b族(亜鉛群)および3a族(硼素群)からの金属)、例えばジエチル亜鉛またはアルミニウムオルガニル、およびc)極性化合物、例えばテトラヒドロフラン(THF)からなる開始剤組成物を教示している。これはジエンおよびビニル芳香族化合物の重合のために使用される。
オルガノリチウム化合物(リチウムオルガニル)、例えばn−、sec−、tert−ブチルリチウムを含有する開始剤の使用の欠点は、リチウムオルガニルの高い価格であり、このことはポリマー最終生成物の値段を高くする。
前記の両方の開示された開始剤組成物とは異なり、本発明による開始剤は水素化カリウム、すなわちオルガニル基なしの水素化アルカリ金属を使用している。
WO−A98/07765はアニオン重合のための開始剤を開示しており、この開始剤は金属オルガニル

=Li、Na、K
=水素、C〜C10−アルキル、C〜C20−アリール、C〜C20−アルキル置換アリール、および

=周期系の2a、2bまたは3a族のn−価の元素、
=水素、ハロゲン、C〜C20−アルキル、C〜C20−アリール
を含有する。
更にWO−明細書はスチレン−またはジエンモノマーのための相応する重合法を開示している。
本発明はWO−98/07765に対する選択発明を形成する、その際Rに関しては水素のみ、Mに関してはカリウムのみ、およびMに関してはアルミニウムのみを選択した。
従前の、前に公開されていない特許出願DE−明細書10218161.6(出願日2002年4月23日)は、開始剤組成物の存在下にスチレンモノマーまたはジエンモノマーまたはこれらの混合物のアニオンホモ重合および共重合のための方法を記載しており、その際開始剤組成物はLiH、NaHおよびKHから選択された少なくとも1種のアルカリ金属水素化物および少なくとも1種のアルミニウムオルガニルを含有する。この出願の中では、スチレンモノマーとしてα−メチルスチレンを記載しておらず、全部で26ある実施例においてモノマーとしてのα−メチルスチレンも開始剤組成物の成分としての水素化カリウムも使用されていない。
技術水準の方法の経済性は全ての場合において最適ではない。
前記欠点を取り除くことが課題である。特に、α−メチルスチレン−ホモ−および−コポリマーのための選択法としてのアニオン重合法を提供することが課題である。この方法は従来公知の方法より改善された経済性を有するべきである。
こうして、冒頭に記載した方法、並びにそこに記載したホモポリマーまたはコポリマー、その使用並びに成形体、フィルム、繊維およびフォームが見いだされた。本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
本発明による方法においては、開始剤組成物の存在下でアニオン重合により、α−メチルスチレンからホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからコポリマーが製造される。この開始剤組成物はアルカリ金属水素化物として水素化カリウムKHを、並びに少なくとも1種のアルミニウムオルガニル(オルガノアルミニウム化合物)を含有する。
水素化カリウムは、これが溶剤(通常非極性、不活性炭化水素)中に溶けて存在する限りにおいてはアニオン重合の開始剤として働く。アルミニウムオルガニルは水素化カリウムの溶剤中への溶解性を、錯体形成により改善すると思われ、かつ水素化カリウムの効果を改善する。更に、Al−オルガニルはモノマーの重合速度をゆっくりとさせる(いわゆる抑制剤−効果)。
水素化カリウムは公知法で金属カリウムおよび水素ガスから加圧下におよび温度上昇下に製造することができる。しかしながら、化学薬品販売において、例えば純粋な固体としてもまたは例えば不活性炭化水素中に懸濁されて、入手可能である。
水素化カリウムに加えて、他のアルカリ金属水素化物、例えば水素化ナトリウムまたは水素化リチウムを一緒に使用することもできる。しかしながら、有利にはアルカリ金属化合物としては水素化カリウムを単独で使用する。
水素化カリウムの必要量は、製造されるべきポリマーの所望の分子量(モル質量)により、使用するアルミニウムオルガニルの種類および量により、かつ重合温度によりきまる。一般に、水素化カリウムを使用するモノマーの全量に対して0.0001〜10、有利に0.001〜5および特に有利に0.01〜1モル%を使用する。
アルミニウムオルガニルとしては、モノオルガニルRHAl、ジオルガニルRHAl、および有利にトリオルガニルRAlを使用することができる。この際、基Rは同一または異なっていてよく、かつ相互に独立して水素、ハロゲン、C〜C20−アルキル、C〜C20−アリールまたはC〜C20−アルキル置換アリールを表す。有利なアルミニウムオルガニルはアルミニウムトリアルキル、例えばトリエチルアルミニウム、トリ−イソブチルアルミニウム、トリ−n−ブチルアルミニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリ−n−ヘキシルアルミニウムである。特に有利には、トリイソブチルアルミニウム(TIBA)を使用する。
アルミニウムオルガニルとしては、アルキル−またはアリールアルミニウム化合物の部分的なまたは完全な加水分解、アルコール分解、アミノリシスまたは酸化により生じるものか、またはアルコラート−、チオラート−、アミド−、イミド−またはリン化物基を有するものも使用することができる。例えば、ジエチルアルミニウム−(N,N−ジブチルアミド)、ジエチルアルミニウム−エトキシド、ジイソブチルアルミニウム−エトキシド、ジイソブチル−(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチル−フェノキシ)−アルミニウム(CAS−番号56252−56−3)、メチルアルミニウムオキサン、イソブチル化メチルアルミノキサン、イソブチルアルミノキサン、テトライソブチルジアルミノキサンまたはビス(ジイソブチル)アルミニウムオキシドである。
アルミニウムオルガニルは公知法で得られるか、または市販の製品として入手可能である。
アルミニウムオルガニルの必要量は、特に水素化カリウムの量により、および重合温度により決まる。通常使用するモノマーの全量に対してアルミニウムオルガニル0.0001〜10、有利に0.001〜5および特に有利に0.01〜1モル%を使用する。
開始剤組成物において、水素化カリウム(開始剤)対アルミニウムオルガニル(抑制剤)のモル比を広い範囲で変化させることができる。例えば、所望の抑制効果、重合温度、使用するモノマーの種類および量(濃度)、およびポリマーの所望の分子量により決まる。有利には、前記モル比をアルミニウム対カリウムのモル比、Al/Kとして表す。有利な実施形においては0.2:1〜10:1、特に有利に0.2:1〜5:1および殊に有利に0.2:1〜2:1である。
開始剤組成物の製造のためには、通常水素化カリウムおよびアルミニウムオルガニルを、有利に溶剤もしくは懸濁剤(それぞれ、水素化カリウムのもしくはアルミニウムオルガニルの溶解性により、以降は溶剤としてまとめて記載する)の使用下に混合する。
溶剤としては特に、不活性炭化水素、より正確には脂肪族、脂環式または芳香族炭化水素、例えばシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、イソオクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、デカリンまたはパラフィン油、またはこれらの混合物が好適である。トルエンは特に有利である。
有利な実施形においては、水素化カリウムをその物として、すなわち乾燥した固体として使用する。他の有利な実施形においては、アルミニウムオルガニルを不活性炭化水素、例えばトルエン中に溶かして使用する。
開始剤組成物の製造の際の温度は、濃度、金属化合物の種類および溶剤により決まる。一般に、混合物の凝固点と沸点の間の全温度が好適である。0〜250℃、有利に20〜200℃、特に20〜120℃の範囲で作業するのが有利である。
新たに製造された開始剤組成物の熟成またはエージングはアニオン重合における再現性のある使用のために有利である。実験は、相互に分離して使用するかまたは重合開始直前に開始剤成分を混合することは再現性のある重合条件およびポリマー特性を惹起しがたいことを示した。観察したエージング工程は、混合工程よりゆっくりと進行する金属化合物の錯形成に起因すると思われる。
前記の濃度範囲および温度範囲のためには、一般に約2分間の熟成時間で充分である。均質な混合は少なくとも5分間、特に少なくとも20分間熟成させるのが有利である。しかしながら、一般に、均質な混合を複数時間、例えば1〜480時間熟成させる場合も、不利ではない。
開始剤組成物に付加的にスチレンまたはα−メチルスチレンを添加することも可能である。この場合、その連鎖末端で金属オルガニルが錯形成しているオリゴマーポリスチリルアニオンが得られる。有利には、スチレンまたはα−メチルスチレンを水素化カリウムに対して10〜1000モル%の範囲の量で使用する。
開始剤成分の混合は、任意の混合装置中で実施することができ、有利には不活性ガスを供給することのできる装置が有利である。例えばアンカー撹拌装置を備える撹拌反応器、または振盪容器が好適である。連続的な製造のためには特に固定ミキサーを備える加熱可能な管が好適である。混合過程は開始剤成分の均質な混合のために必要である。しかしながら、熟成の際には更に混合してもよいが混合する必要はない。熟成は連続的に貫流する撹拌容器中でも、撹拌領域中でも実施することができ、その体積は貫流速度と共に熟成時間を決定する。
従って、本発明の対象は水素化カリウム、および不活性炭化水素中に溶けたまたは懸濁したアルミニウムオルガニルを混合し、この混合物を0〜250℃の温度で少なくとも2分間熟成させることにより、開始剤組成物を製造することを特徴とする、α−メチルスチレンからホモポリマーを、またはα−メチルスチレンおよびコモノマーからコポリマーを製造するための前記本発明による方法でもある。
本発明方法のためのコモノマーとしては、原則的にα−メチルスチレンと共重合可能な全てのモノマーを挙げることができる、コポリマーとしては(α−メチルスチレンとは異なる)スチレンモノマー、またはジエンモノマーまたはそれらの混合物を使用するのが有利である。
スチレンモノマーとしては全てのビニル芳香族モノマーが好適である、例えばスチレン、p−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、エチルスチレン、ビニルスチレン、ビニルナフタリンおよび1,1−ジフェニルエチレンが好適である。有利にはスチレンを使用する。
ジエンモノマーとしては、例えば1,3−ブタジエン、2,3−ジメチルブタジエン、1,3−ペンタジエン、1,3−ヘキサジエン、イソプレンおよびピペリレンを挙げることができる。1,3−ブタジエンおよびイソプレンが有利であり、特に1,3−ブタジエン(以降ブタジエンと省略する)が好適である。
コモノマーとしてスチレン、ブタジエン、イソプレンまたはそれらの混合物を使用するのが、特に有利である。
モノマーを方法に必要とされる純度にするのが有利である、すなわち妨害する付随物質、例えば残留湿分、極性物質、酸素を重合の直前に公知法で除去するのが有利である。
コモノマーの割合は、全部で(全てのコモノマーの合計)モノマーの全量に対して通常0.1〜99.9、有利に0.1〜99、特に有利に0.1〜90質量%である。このことは、コモノマー中のα−メチルスチレンの割合が0.1〜99.9、有利に1〜99.9および特に有利に10〜99.9質量%であることを意味する。
スチレンを唯一のコモノマーとして使用する場合、スチレンの割合は一般に0.1〜99.9、有利に10〜99.9および特に50〜99.9質量%である。ブタジエンまたはイソプレンを唯一のコモノマーとして使用する場合、ブタジエンの割合もしくはイソプレンの割合は通常0.1〜99.9、有利に1〜99および特に有利に5〜70質量%である。
スチレンおよびブタジエンを、またはスチレンおよびイソプレンを、両方を唯一のコモノマーとして使用する場合、スチレンの割合は一般に0.1〜99.9、有利に10〜99.9および特に50〜99.9質量%であり、ブタジエン割合またはイソプレン割合は一般に0.1〜99.9、有利に0.1〜90および特に0.1〜50質量%である。全ての前記質量割合は全モノマー量に対する。
付加的に、重合反応において、極性化合物もしくはルイス塩基を一緒に使用することができる。基本的に、全ての文献公知のアニオン重合の添加物は好適である。これは、一般に自由電子を提供する少なくとも1個のO−、N−、S−、P−原子を含有する。エーテルおよびアミンが有利であり、例えばテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、テトラヒドロピラン、ジオキサン、クラウンエーテル、アルキレングリコールジアルキルエーテル、例えばエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N',N",N"−ペンタメチルジエチレントリアミン、1,2−ビス(ピペリジノ)エタン、ピリジン、N,N,N',N',N",N"−ヘキサメチルトリエチレントリアミン、およびリン酸ヘキサメチルトリアミドが有利である。
極性化合物もしくはルイス塩基は活性化剤として働き、多くの場合に重合反応の変換率を上昇させ、もしくは反応速度を上昇させる。更に、これはスチレン−ブタジエン−もしくはスチレン−イソプレン−ブロックコポリマーにおいて、ブタジエン−もしくはイソプレン−ブロック中の種々のビニル結合の割合を制御する能力を有し、下記参照、こうしてゴムのマイクロ構造に影響を与える。これが反応速度を上昇させる場合、その量を全バッチの反応速度が、抑制成分の添加なしに実施するバッチにおけるより小さいように決定するのが有利である。このためには、極性化合物もしくはルイス塩基を、開始剤組成物に対して500モル%未満、有利に200モル%未満、特に100モル%未満使用する。
本発明による方法は溶剤の存在(溶液重合)または不存在(塊重合)で実施することができる。溶剤なしでは一般に100℃を越える温度で、ポリマーの溶融物も操作することのできる温度で操作する。
溶剤としては、アニオン重合に常用の炭素原子4〜12個を有する脂肪族、脂環式または芳香族炭化水素、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、イソオクタン、デカリン、ベンゼン、アルキルベンゼン、例えばトルエン、キシレン、エチルベンゼンまたはクモール、または好適な混合物が好適である。溶剤は方法に必要な純度を有しているべきである。プロトン活性物質を分離するために、例えば酸化アルミニウムまたはモレキュラーシーブを介して乾燥しかつ/または使用の前に蒸留することができる。方法からの溶剤を溶剤ガスの凝縮および前記精製の後に再利用するのが有利である。
溶液重合は通常0〜250℃、有利に20〜200℃の温度で実施する。
アルミニウムオルガニルの組成および量の選択により、抑制効果を広い温度範囲で調節することが可能である。こうして、高い粘度のポリマー溶液に導き、かつ少なくとも高い変換率において高い温度を要求する、50〜100体積%。特に70〜100体積%の範囲の、開始のモノマー濃度においても重合することができる。
重合の終了後、生存ポリマー鎖を連鎖停止剤を用いてキャップすることができる。連鎖停止剤としてはプロトン活性物質またはルイス酸、例えば水、アルコール、例えばメタノールまたはイソプロパノール、脂肪族および芳香族カルボン酸、例えば2−エチルヘキサン酸並びに無機酸例えば炭酸またはホウ酸が好適である。
本発明による方法は任意の耐圧および耐熱反応装置中で実施することができ、その際基本的にバックミキシングまたは非バックミキシング反応器(すなわち、撹拌容器を備える反応器様式または管型反応器様式)を使用することが可能である。この方法は、開始剤濃度および組成、特別に適用する方法の経過およびその他のパラメータ、例えば温度および場合により温度経過の選択により高い分子量または低い分子量を有するポリマーに導くことができる。好適であるのは例えば、撹拌容器、塔型反応器、ループ型反応器および管型反応器または管束型反応器、これらは内部構造物を備えているかまたは備えていない、が好適である。内部構造物は固定または可動の内部構造物であってよい。
重合のための前記方法の他に、本発明は同様にこの重合法により得られるポリマー、すなわちα−メチルスチレンからなるホモポリマー、およびα−メチルスチレンおよびコモノマーからなるコポリマーにも関する。
そのようなコポリマーは、例えばα−メチルスチレン−スチレン−コポリマー、α−メチルスチレン単位を含有する耐衝撃性ポリスチレン、およびα−メチルスチレン単位を含有するスチレン−ブタンジエン−ブロックコポリマーから選択されている。α−メチルスチレン−スチレン−コポリマーはポリ−α−メチルスチレン−スチレン(PS/α−MeS)とも呼ばれる。
α−メチルスチレン単位を含有する耐衝撃性ポリスチレンは、スチレンが完全にまたは部分的にα−メチルスチレンに代わっている耐衝撃性(すなわちゴム含有)ポリスチレンである。α−メチルスチレン単位を含有するスチレン−ブタンジエン−ブロックコポリマーとは、少なくとも1つのスチレンブロックにおいて、スチレンが完全にまたは部分的にα−メチルスチレンにより代わっているスチレン−ブタンジエン−ブロックコポリマーである。
ブロックコポリマーにおいては、以降スチレンから、もしくはα−メチルスチレンからもしくはスチレンおよびα−メチルスチレンからのブロックを、まとめてかつ簡単にするためにスチレンブロックSと呼ぶ。
本発明によるα−メチルスチレン含有スチレン−ブタンジエン−ブロックコポリマーは、例えば線状2ブロック−コポリマーS−Bまたは3ブロック−コポリマーS−B−SもしくはB−S−Bであってよく(S=スチレンブロック、B=ブタジエンブロック)、これは本発明による方法によるアニオン重合により得られる。このブロック構造は実質的に、最初にスチレンおよび/またはα−メチルスチレンを単独でアニオン重合し、これによりスチレンブロックSを形成することにより生じる。スチレンモノマーの消費後、モノマーを交換する、その際モノマーブタジエンを供給し、アニオン重合してブタジエンブロックBにする(いわゆる逐次重合)。所望の場合には、このように得られた2ブロックポリマーS−Bを新たにスチレンおよび/またはα−メチルスチレンにモノマー交換して、重合し3ブロックポリマーS−B−Sにする。同じことは3ブロックコポリマーB−S−Bにも意味において該当する。
3ブロックコポリマーS−B−Sは両方のスチレンブロックが同じ大きさ(同じ分子量、すなわち対称の構造S−B−S)または異なる大きさ(異なる分子量、すなわち非対称の構造S−B−S)であってよい。同じことはブロックポリマーB−S−Bの両方のブタジエンブロックに関しても意味において該当する。もちろん、ブロックの順序S−S−BもしくはS−S−BまたはS−B−BもしくはS−B−Bも可能である。前記の表示はブロックの大きさを表す(ブロックの長さまたは分子量)。ブロックの大きさは例えば使用したモノマー量および重合条件に依存する。
エラストマーの“軟質”なブタジエンブロックBに代えて、またはこのブロックBに加えてブロックB/Sであってもよい。これは同様に軟質でかつブタジエン、並びにスチレンおよび/またはα−メチルスチレンを含有しており、この際ポリマー鎖中のモノマー単位は例えばランダムに分布するかまたはテーパー構造(テーパー=ブタジエン高含量からブタジエン低含量への勾配または逆の勾配)で存在していてよい。ブロックコポリマーが多くのB/S−ブロックを含有している場合、個々のB/S−ブロック中のスチレンおよび/またはα−メチルスチレン並びにブタジエンに関しての絶対量または相対割合が同じでもまたは異なっていてもよく、異なるブロック(B/S)、(B/S)等を生じてもよい。
スチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーとしては、4ブロックおよびポリブロックコポリマーが好適である。
好適なブロックコポリマーは(前記の)線状構造を有していてよい。しかしながら、分枝または星形の構造も可能であり、多くの適用のために有利である。分枝ブロックコポリマーは公知法で、例えばポリマー“側枝”のポリマー主鎖上へのグラフト重合により、得ることができる。
星形のブロックコポリマーは例えば生存するアニオン連鎖末端と少なくとも2官能性のカップリング剤とを反応させることにより得られる。そのようなカップリング剤はUS−PS3985830、3280084、3637554および4091053中に記載されている。有利には、エポキシド化グリセリド(例えばエポキシド化アマニ油または大豆油)、ハロゲン化珪素、例えばSiCl、またはジビニルベンゼン、更に多官能性アルデヒド、ケトン、エステル、無水物またはエポキシドである。二量体化のためには特にジクロロジアルキルシラン、ジアルデヒド、例えばテレフタルアルデヒド、およびエステル、例えばギ酸エチルが好適である。同じまたは異なるポリマー鎖のカップリングにより対称または非対称の星形構造が製造される、すなわち個々の星の枝鎖が同じまたは異なっていてよく、特に異なるブロック、S、B、B/Sもしくは異なるブロック順序を有していてもよい。その他の星形ブロックポリマーの詳細は、例えばWO−A00/58380から明らかである。
前記の使用したモノマー表示スチレンもしくはブタジエンは例えば他のビニル芳香族もしくはジエンにも当てはまる。
少なくとも1ブロックが本発明による方法により製造された場合には、α−メチルスチレン−含有スチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーは本発明による。すなわち、全てのブロックが本発明により製造されている必要はない。例えば、少なくとも1つのブロックを水素化カリウムおよびアルミニウムオルガニルを含有する開始剤組成物を用いて重合することができ、かつ同じブロックコポリマーの1つ以上の他のブロックを他の、本発明によらない方法で、例えばオルガノリチウム化合物またはオルガノマンガン化合物を用いて重合することができる。
本発明によるα−メチルスチレンを含有する耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)は、ポリスチレンマトリックスの他にゴム成分として、例えばポリブタジエン、ポリイソプレンまたは−有利に−スチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーを含有する。
その際、ゴム成分は本発明による方法により製造することができるか、または公知技術により、例えばオルガノリチウム化合物の使用下にアニオン重合により、またはラジカル重合により製造することができる。
アニオン重合により製造されるゴムにおいては、ゴムは一般に溶剤またはモノマースチレン中に溶解して存在する。本発明による方法においては、ゴムを溶剤から分離する必要はない(分離することは可能であるが)。むしろ、溶剤と共にゴムの溶液を直接HIPSのために加工することができる。
このためには、場合により予め連鎖停止剤の添加により完全に反応させたゴム溶液にモノマースチレンおよび/またはα−メチルスチレン、およびKHおよびAl−オルガニルからなる開始剤組成物を添加し、かつこの混合物を本発明による方法によりアニオン重合する、すなわちゴムの存在下でスチレンおよび/またはα−メチルスチレンを重合させる。
本発明によるポリマーは次のものでもある;i)HIPSを含有する本発明により製造したゴム、この際ポリスチレンマトリックスをゴムの存在下に本発明による方法とは異なる方法で重合した、およびii)HIPSを含有する本発明によらずに製造したゴム、この際ポリスチレンマトリックスをα−メチルスチレンおよび場合によりコモノマー、例えばスチレンから、ゴムの存在下に本発明による方法で重合した。
これによれば、本発明によるHIPSは、ゴム成分またはポリスチレンマトリックスまたは両方の成分がα−メチルスチレンを含有し、本発明による方法により製造されたHIPS−ポリマーを包含する。
特に有利であるのは、ゴムとして
a)スチレンの割合が2ブロックコポリマーに対して30〜70質量%、有利に40〜60質量%であるスチレン−ブタジエン−2ブロックコポリマーS−B、または
b)a)に記載した2ブロックコポリマーと、スチレンの割合が2ブロックコポリマーに対して10〜50質量%、有利に20〜40質量%である第2のスチレン−ブタジエン−2ブロックコポリマーS−Bとの混合物、または
c)a)に記載した2ブロックコポリマーと、スチレンの割合が3ブロックコポリマーに対して5〜75質量%、有利に20〜50質量%であるスチレン−ブタジエン−スチレン−3ブロックコポリマーS−B−Sとの混合物。特に、3ブロックコポリマーとして、ポリマーS−B−Sを使用するのが有利であり、この際スチレンブロックSは質量平均分子量Mw20000〜200000、有利に50000〜120000であり、ブタジエンブロックBは質量平均分子量Mw30000〜300000、有利に100000〜200000であり、かつスチレンブロックSはMw1000〜100000、有利に5000〜30000である、
を含有する耐衝撃性ポリスチレン成形材料である。
スチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーにおいては、本発明による方法は更にポリブタジエンブロックもしくはポリイソプレンブロック中の1,2−ビニル結合の含量の制御を可能とする。このポリマーの機械的特性はポリブタジエンもしくはポリイソプレンの1,2−ビニル含量によっても決まるので、この方法はこれにより注文に合わせた特性を有するスチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーの製造を可能にする。
更に、本発明によるポリマーは、僅かな残留モノマーまたは残留オリゴマーの含量により優れている。この利点は、特にスチレン含有もしくはα−メチルスチレン含有ポリマーにおいて重要である。それというのも、スチレンもしくはα−メチルスチレンの残留モノマーもしくは残留オリゴマーの僅かな含量は、後からの脱気、例えば、高い費用およびポリマーの不利な熱による損傷(解重合)を伴う、ベント式押出機上での脱気を不要なものとする。
引っ張り伸びを上昇させるために、本発明による耐衝撃性ポリスチレンに耐衝撃性ポリスチレンに対して鉱油(ホワイト油)0.1〜10質量%、有利に0.5〜5質量%を添加することができる。
ポリマーは常用の添加物および加工助剤、例えば滑剤または離型剤、着色剤、例えば顔料または染料、難燃剤、抗酸化剤、光作用に対する安定剤、繊維状および粉末状充填剤または強化材または帯電防止剤、並びにその他の添加剤、またはその混合物を含有していてよい。
好適な滑剤および離型剤は、例えばステアリン酸、ステアリルアルコール、ステアリン酸エステルまたはステアリン酸アミド、金属ステアレート、モンタンワックスおよびポリエチレンおよびポリプロピレンをベースとするものである。
顔料は例えば二酸化チタン、フタロシアニン、ウルトラマリンブルー、酸化鉄またはカーボンブラック、並びに有機顔料の群である。染料とは、ポリマーを透明に、半透明にまたは不透明に着色するために使用することのできる、特にスチレンホモポリマーまたはコポリマーを着色するために使用することのできる全ての染料である。この種の染料は当業者に公知である。
難燃剤としては、例えば当業者に公知のハロゲン含有またはリン含有化合物、水酸化マグネシウム、並びにその他の汎用される化合物、またはこれらの混合物を使用することができる。
好適な抗酸化剤(熱安定剤)は、立体的に阻害されたフェノール、ヒドロキノン、これらの群の種々の置換されたもの、並びにこれらの混合物である。これらは、Topanol(R)またはIrganox(R)として市販されている。
光作用に対する好適な安定剤は、例えば種々の置換レゾルシン、サリチレート、ベンゾトリアゾール、ベンゾフェノン、HALS(阻害アミン光安定剤)、例えばこれはTinuvin(R)として市販されている。
繊維状もしくは粉末状充填剤の例としては、炭素繊維またはガラス織物、ガラスマットまたはガラスシルクロービングの形のガラス繊維、ガラス破片、ガラス球並びに珪灰石を挙げることができ、特に有利にはガラス繊維である。ガラス繊維の使用の際には、配合成分との相容性を改善するために、これはサイズおよび接着助剤を有していてよい。ガラス繊維の導入は、ガラス短繊維の形でも、連続フィラメントストランド(ロービング)の形であってもよい。
粒状の充填剤としては、カーボンブラック、非晶質珪酸、炭酸マグネシウム(チョーク)、粉末石英、雲母、マイカ、ベントナイト、タルク、長石または特に珪酸カルシウム、例えば珪灰石およびカオリンが好適である。
好適な帯電防止剤は、例えばアミン誘導体、例えばN,N−ビス(ヒドロキシアルキル)−アルキルアミンまたは−アルキレンアミン、ポリエチレングリコールエステルまたはグリセリンモノ−およびジステアレート、並びにこれらの混合物である。
個々の添加物はそれぞれ常用の量で使用し、こうしてより詳細な説明はこのためには必要はない。
本発明による成形材料の製造は、自体公知の混合法で行われ、例えば押出機、バンバリーミキサー、ニーダー中で、ロールミルまたはカレンダー上で溶融することにより行われる。しかしながら成分を“コールド”でも使用することができ、粉末または顆粒からなる混合物を加工の際に初めて溶融し、均質にすることもできる。
有利には成分を、場合により前記の添加物と、押出機中でまたはその他の混合装置中で100〜320℃の温度で溶融下に混合して取り出す。押出機の使用は特に有利である。
成形材料から、全ての種類の成形体(半製品、シート、フィルムおよびフォーム)を製造することができる。従って、本発明の対象は本発明によるポリマーの成形体、フィルム、繊維およびフォームの製造のための使用、並びにこのポリマーから得られる成形体、フィルム、繊維およびフォームに関する。
本発明による方法を用いて、改善された経済性でα−メチルスチレンのホモ−およびコポリマーを製造することができる。本発明によるポリマーは調和のとれた特性プロフィールにより優れており、特にスチレンおよびα−メチルスチレンの残留モノマーおよび残留オリゴマーの僅かな含量により、並びに良好な耐熱変形性により優れている。
全ての反応をグローブボックス中で、窒素雰囲気下に湿分を遮断下に実施する。次の化合物を使用し、その際精製とはアルミニウムオキサンで、精製し乾燥したことを意味する。
−BASFからの精製されたスチレン、
−BASFからの精製されたα−メチルスチレン、
−BASFからの精製されたブタジエン、
−Aldrich社の固体物質としての水素化カリウム、
−Aldrich社のトルエン中の1.0モル濃度の溶液としてのトリイソブチルアルミニウム(TIBA)完成溶液、
−ヘプタン中の2.0モル濃度溶液としての(n−ブチル)(sec−ブチル)マグネシウム(短縮:ジブチルマグネシウム、DBM)、
−シクロヘキサン中の12質量%溶液としてのsec−ブチルリチウム(s−BuLi)、Chemmetall社の完成溶液、
−Aldrich社の固体物質としての水素化ナトリウム、
−BASFの精製されたシクロヘキサン、
−BASFの精製されたトルエン、
−BASFのメタノール、
−n−オクタデシル−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)]プロピオネート;Ciba Specialty ChemicalsのIrganox(R)1076を使用した、
−ホワイト油;Wintershall社の鉱油Wirong(R)70を使用、
−2−エチルヘキサン酸。
1. 開始剤組成物の製造
1.1開始剤組成物In1〜In3:KH+TIBA(本発明による)
固体水素化カリウム4gを50℃で装入し、撹拌下に供給した、
開始剤組成物In1のために:トルエン10mlおよび1.0モル濃度TIBA−溶液90ml、または
開始剤組成物In2のために:トルエン30mlおよび1.0モル濃度TIBA−溶液70ml、または
開始剤組成物In3のために:トルエン60mlおよび1.0モル濃度TIBA−溶液40ml。
引き続き、この混合物を撹拌下に50℃で5時間熟成させた。モル比Al/Kは
In1においては:0.9:1
In2においては:0.7:1
In3においては:0.4:1
であった。
1.2開始剤組成物In4V〜In8V(比較のため)
a)In4VおよびIn5V:s−BuLi+ジブチルマグネシウム(DBM)
23℃で撹拌下に、
In4Vのために:トルエン13mlおよび12質量%のs−BuLi−溶液23mlと2.0モル濃度DBM−溶液64ml、もしくは
In5Vのために:12質量%のs−BuLi−溶液28mlと2.0モル濃度DBM−溶液72ml
を混合した。引き続き、この混合物を撹拌下に23℃で60分間熟成させる。モル比Mg/LiはIn4VおよびIn5V両方の場合において、その都度4:1であり、Li−濃度は、
In4Vにおいては:0.32モル/l、もしくは
In5Vにおいては:0.39モル/lであった。
b)In6V:s−BuLi単独:12質量%のs−BuLi−溶液だけを使用した。
c)In7VおよびIn8V:s−BuLi+TIBAもしくはNaH+TIBA。
25℃で撹拌下に、
In7Vのために:トルエン39mlおよび12質量%のs−BuLi−溶液71mlと1.0モル濃度TIBA−溶液90ml、もしくは
In8Vのために:トルエン10mlおよび固体水素化ナトリウム2.4gと1.0モル濃度TIBA−溶液90ml、
を混合した。引き続きこの混合物を撹拌下に25℃で60分間熟成させた。モル比
Al/LiはIn7Vにおいて、0.9:1、もしくは
Al/NaはIn8Vにおいて、0.9:1であった。
2. α−メチルスチレン−コポリマーの製造および特性
以下に記載したポリマーの分子量(質量平均Mおよび数平均M)はゲル透過クロマトグラフィー(GPC)により測定した。詳細に関しては次のようである:溶離剤テトラヒドロフラン;流速1.2ml/分;RI−検出器もしくはUV−検出器;3つのスチレンジビニルベンゼンゲル−分離カラム(35℃、それぞれ300×8mm)Polymer Laboratories社のPLgel Mixed B;得られるポリマーによりポリスチレンスタンダードまたはポリブタジエンスタンダードでの較正。
およびMから不均一性M/Mを計算した。
コポリマー中のα−メチルスチレンの割合をH−核磁気共鳴スペクトル(H−NMR、核磁気共鳴)を記録し、評価した。
ガラス転移温度を示差走査熱量測定(DSC)により測定した。詳細は:開始温度23℃、停止温度200℃、加熱速度1℃/分、2回目の走行において測定。
耐熱変形性VictatBをVictat−軟化温度VSTとして測定、EN ISO306による方法B50(力 50N、加熱速度50℃/h)、EN ISO3167により製造した検体を使用。
残留モノマー含量、すなわちポリマーのスチレン、ブタジエン、もしくはα−メチルスチレンに関する残留含量をガスクロマトグラフィーにより測定した。
2.1 例1〜8V:α−メチルスチレン−スチレン−コポリマーの製造
次の一般的記載において、可変のパラメータもしくは得られた結果に関する可変性(大文字)がある。個々の値は第1表に記載されている。
装入したα−メチルスチレン50体積%およびスチレン50体積%からなるモノマー混合物30mlを撹拌下に100℃に加熱する。その後、開始剤組成物Inを添加し、100℃に保持し、この間モノマー濃度の減少を重量分析により追跡した。開始剤添加の5時間後に反応をメタノール1mlを添加することにより中断した。変換率はこの時点までU%であった。
得られた反応混合物からポリマーをメタノールを添加することにより沈殿させ、沈殿したポリマーを濾別し、乾燥箱中で乾燥した。得られた粉末を測定した:
−GCPを用いて、分子量MおよびM並びに不均一性M/M
H−NMRを用いて、α−メチルスチレン−の割合
−DSCを用いて、ガラス転移温度Tg。
Figure 2006517992
この表は本発明による方法を用いてα−メチルスチレン−スチレン−コポリマーを可変の特性プロフィールで製造することができることを示している。
本発明によらない比較法は、リチウムオルガニルおよびマグネシウムオルガニルからなる(s−BuLi+DBM、比較例4Vおよび5V)、リチウムオルガニル単独からなる(s−BuLi、比較例6V)、リチウムオルガニルおよびアルミニウムオルガニルからなる(s−BuLi+TIBA、比較例7V)、または水素化ナトリウムおよびアルミニウムオルガニルからなる(NaH+TIBA、比較例8V)、本発明によらない開始剤組成物を使用した。得られたポリマーは、小さい分子量M2000〜約5400g/モル、僅かなα−メチルスチレンの割合7〜25%および満足できないガラス転移温度102〜109℃を示した。
これとは反対に、本発明により水素化カリウムおよびアルミニウムオルガニルからなる開始剤組成物(KH+TIBA、例1〜3)の使用において、著しく高い分子量M8900〜17500g/モル、高いα−メチルスチレンの割合27〜46%および高いガラス転移温度115〜128℃を有するポリマーが得られた。
2.2 例9:スチレンブロック中へのα−メチルスチレンを有するスチレン−ブタジエン−2ブロックコポリマー−ゴムの製造
トルエン370mlを撹拌下に装入し、開始剤組成物In2を2mlを添加した。引き続き100℃に加熱し、ブタジエン100mlを添加した。ブタジエン添加の2時間後に100℃でα−メチルスチレン50体積%およびスチレン50体積%からなる混合物を添加した。100℃で保持し、モノマー濃度の減少を質量分析により追跡した。スチレン添加の5時間後に、反応をメタノール1ml添加することにより中断した。変換率はこの時点までに81%であった。
得られた反応混合物から溶剤を除去し、得られたポリマー顆粒の特性を測定した、両方とも2.1に記載したように実施した。
数平均分子量Mは120500g/モルであり、不均一性M/Mは2.5であった。全ブロックコポリマー中のα−メチルスチレンの割合は18%であった。
2.2 例10:耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)の製造
HIPSのゴム成分としてはs−BuLi単独を開始剤として使用して(本発明によらない)、次のように製造した線状スチレン−ブタジエン−スチレン−3ブロックコポリマーを使用した:
2mを有する撹拌容器中にトルエン391kgを装入し、45℃に温度調節する。シクロヘキサン中のsec−ブチルリチウムの12質量%溶液258gを供給した。その後、順次以下のモノマー部分M1〜M6を添加したが、この際、その間に上昇した反応器内部温度が蒸発冷却により再び45〜55℃に低下した後に、次の部分を初めて供給した;M1、スチレン11.6kg;M2、ブタジエン25kg;M3、ブタジエン19.5kg;M4、ブタジエン16.9kg;M5、ブタジエン13kg;M6、スチレン44.2kg。反応器内部温度が最後のブタジエン添加M5の前の温度を10℃だけ越える温度で、前記スチレン部分M6を添加した。最後に反応を水8.4gを添加することにより中断した。反応混合物は固体含量25.2質量%を有し、スチレン78kgおよびα−メチルスチレン215kgを添加することにより固体含量16質量%に希釈した。従って、ゴム溶液はゴム16質量%、トルエン39質量%、スチレン12質量%およびα−メチルスチレン33質量%を含有する。
ブロックコポリマーはGPC−分析によれば単峰性分布を有した。ガスクロマトグラフィーにより調べたブロックコポリマーの残留モノマー含量はブタジエン10ppm(質量)未満であった。
得られたブロックコポリマーゴムのピーク分子量(分子量分布の最大)は、前記のようにGPCにより測定して、第1のスチレンブロック20000、ブタジエンブロック160000、第2のスチレンブロック95000であった。ブタジエンブロックは59.5質量%であった。
こうして得られたゴム溶液は、引き続く希釈工程(前記参照)によりすでにα−メチルスチレンを含有する。ゴム溶液を本発明による方法によりKHおよびTIBAからなる開始剤組成物でHIPSに次のように重合する:
重合を標準アンカー撹拌機を備える、二重壁を有する50l撹拌容器中で連続的に実施した。反応器を25バールの絶対圧にして、熱担持媒体を用いて蒸発冷却により、等温反応実施のために温度調節した。
撹拌容器中で、115rpmで撹拌下にスチレン2.7kg/h、ゴム溶液13.4g/hおよび開始剤組成物In2 70g/hを連続的に供給し、110〜120℃の一定の反応器内部温度に保持した。撹拌容器の出口では変換率38%であった。この反応混合物を2つの同じ大きさの加熱帯域を備える(第1の帯域は内部温度110℃、第2帯域は内部温度160℃)、撹拌する29l−塔型反応器中に供給した。塔型反応器の取出し物を添加溶液(下記参照)787g/hと混合し、その後ミキサー中を通過させ、最後に250℃に加熱した管部を導通した。その後、圧力調節弁を介して270℃で作動する部分蒸発器中に供給し、絶対圧5ミリバールおよび280℃で作動する真空容器中で減圧した。ポリマー溶融物は搬送スクリューを用いて排出され、造粒された。変換率は定量的であった。
添加物溶液は、Irgnox(R)1076 2質量%、トルエン15質量%、2−エチルヘキサン酸9質量%およびホワイト油74質量%からなる。
ガスクロマトグラフィーにより測定したHIPSの残留モノマー含量はスチレン5ppm未満、エチルベンゼン5ppm未満およびα−メチルスチレン100ppm未満であった、それぞれppmは質量による、ppm(w)。
ポリマー顆粒で、EN ISO306による耐熱変形性VictatB128℃までが測定された。
この例は、本発明による方法を用いて、α−メチルスチレンのホモポリマーもコポリマーも経済的に製造することができることを示した。このポリマーは僅かな残留モノマーもしくは残留オリゴマー含量、並びに良好な耐熱変形性により優れている。

Claims (9)

  1. 開始剤組成物の存在下でのアニオン重合による、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法において、開始剤組成物が水素化カリウムおよび少なくとも1種のアルミニウムオルガニルを含有することを特徴とする、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマーの製法。
  2. コモノマーとしてスチレン、ブタンジエン、イソプレンまたはこれらの混合物を使用する、請求項1記載の方法。
  3. アルミニウムオルガニルとしてトリイソブチルアルミニウム(TIBA)を使用する、請求項1または2記載の方法。
  4. 開始剤組成物において、アルミニウム対カリウムのモル比が0.2:1〜10:1である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 水素化カリウム、および不活性炭化水素中に溶けたまたは懸濁したアルミニウムオルガニルを混合し、この混合物を0〜250℃の温度で少なくとも2分間熟成させることにより、開始剤組成物を製造することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 請求項1から5までのいずれか1項記載の方法により得られる、α−メチルスチレンからのホモポリマーまたはα−メチルスチレンとコモノマーとからのコポリマー。
  7. α−メチルスチレン−スチレン−コポリマー、α−メチルスチレン単位を含有する耐衝撃性ポリスチレンおよびα−メチルスチレン単位を含有するスチレン−ブタジエン−ブロックコポリマーから選択された、請求項6記載のコポリマー。
  8. 成形体、フィルム、繊維およびフォームを製造するための、請求項6または7記載のホモポリマーまたはコポリマーの使用。
  9. 請求項6または7記載のホモポリマーまたはコポリマーからなる成形体、フィルム、繊維およびフォーム。
JP2006501626A 2003-02-19 2004-01-28 α−メチルスチレンのアニオン重合法 Ceased JP2006517992A (ja)

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