JP2010215519A

JP2010215519A - トリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物の分解処理方法

Info

Publication number: JP2010215519A
Application number: JP2009060554A
Authority: JP
Inventors: Mutsuhisa Furukawa; 睦久古川; Ken Koshiio; 謙小椎尾; Suguru Motokucho; 卓本九町
Original assignee: Nippon Polyurethane Industry Co Ltd
Current assignee: Nippon Polyurethane Industry Co Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30
Also published as: WO2010103720A1

Abstract

【課題】これまで廃棄処分するしかなかったトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）製造時に副生するウレア残さに、アルカリ等の加水分解促進剤を添加することなく、再利用可能なトリレンジアミン（ＴＤＡ）を回収でき、また、反応装置の腐食性の問題を起こすことのないＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法を提供する。
【解決手段】ＴＤＩ系ポリウレア化合物を超臨界状態又は亜臨界状態の二酸化炭素中で加水分解することを特徴とする、ＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法により解決する。
【選択図】図３

Description

本発明は、トリレンジイソシアネート（以後、ＴＤＩと略称する）系ポリウレア化合物を加水分解してトリレンジアミン（以後、ＴＤＡと略称する）を回収する、ＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法に関する。

ポリウレタンは、ポリイソシアネートとポリオールとの重付加反応により合成される高分子材料である。ポリウレタンは、配合、処方、成形方法等により、種々の物性を付与することが可能である。このため、フォーム、エラストマー、塗料、接着剤等多種多様に利用されている。

ポリウレタンの原料であるイソシアネートは、対応するアミンをホスゲンと反応させることにより得られているが、この際の副生成物として、ウレア残さが生成する。この残さは、常温下で固化するタール状の物質であり、ハンドリングが難しいため、従来はもっぱら焼却処理される廃棄物であった。

この残さを分解・回収する方法として、超臨界状態又は亜臨界状態の水を用いてウレア残さを処理する方法が特許文献１に提案されている。

しかしながら、特許文献１の方法では、超臨界状態又は亜臨界状態の水とするためには、高温（臨界温度＝３７４℃）・高圧（臨界圧力＝２２．１ＭＰａ）の下で行うという過酷な条件が必要であるため、重厚な設備を必要とする。また超臨界状態又は亜臨界状態の水は、金属腐食の問題を内包しており、反応容器他の装置の維持管理が煩雑となる。

特開２０００−１３６２６４号公報

本発明の目的は、これまで廃棄処分するしかなかったＴＤＩ製造時に副生するポリウレア化合物を含有する残さに、アルカリ等の加水分解促進剤を添加することなく、再利用可能なポリアミンを回収でき、また、反応装置の腐食性の問題を起こすことのないＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、ＴＤＩ系ポリウレア化合物を、超臨界状態又は亜臨界状態の二酸化炭素中にて、加水分解させることにより、ＴＤＡの効率的な回収、及びそのための好適条件を見い出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、以下の（１）〜（３）に示されるものである。

（１）ＴＤＩ系ポリウレア化合物を超臨界状態又は亜臨界状態の二酸化炭素中で、液体または気体状態の水を用いて加水分解し、ＴＤＡを回収することを特徴とする、ＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法。

（２）ＴＤＩ系ポリウレア化合物の質量に対して、水の質量が２０倍以上であることを特徴とする、前記（１）のＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法。

（３）加水分解時の温度が１７０℃以上、３７４℃未満であることを特徴とする、前記（１）、（２）のＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解処理方法。

本発明の方法により、従来産業廃棄物として処分されていたＴＤＩ製造時の残さをアルカリ等の添加剤を使うことなく、ＴＤＡに効率よく変換することが可能となった。

本発明において、ＴＤＩ系ポリウレア化合物とは、主に−ＮＨ−ＣＯ−ＮＨ−なる基（ウレア基）が、−（Ｃ₆Ｈ₄）−（トリル基）のオルソ位に−ＮＨ−が、パラ位に−ＮＨ−ＣＯ−が別れて隣接する繰り返し単位の化合物であり、前記ウレア基の一部がビウレット基となっているものも含む。具体的には、主にＴＤＩ製造時に副生する残さとして生成するものである。また残さとは、ＴＤＩ製造時に発生する残さを意味する。

本発明の分解に用いられるＴＤＩ系ポリウレア化合物としてはＴＤＩ製造時に副生する残さであればいずれの工程で発生したものでもよい。具体的には、ＴＤＡ製造工程、ＴＤＡとホスゲンの反応工程、ＴＤＩ精製工程等のいずれかで副生する残さである。これら残さは各工程においては溶融、溶解していてもよい。なお本発明に適用できる残さとしてはホスゲンを用いて製造されるＴＤＩには限定されず、非ホスゲン法で製造する場合それらの各工程のいずれかの工程で副生する残さをも分解することができることは言うまでもない。

残さとしてはいずれを用いても良いが通常、各工程で発生した残さを固液分離工程、蒸留工程等により液状成分と分離した後に用いられる。

これらＴＤＩ製造時に副生する残さは主としてアミン、イソシアネート等の熱重縮合物からなる混合物である。熱重縮合物は例えばウレア（ウレタン）、ビウレット、カルボジイミド、イソシアヌレート等の基又は環を有している。特にこれらの基又は環を複数有する複雑な構造を有する化合物が多く含有されている。

上記の残さのようなＴＤＩ系ポリウレア化合物は、超臨界又は亜臨界状態の二酸化炭素中で、液体または気体状態の水を用いて、ＴＤＡに加水分解される。

ＴＤＩ系ポリウレア化合物と水の割合は、ＴＤＩ系ポリウレア化合物の質量に対して、水の質量が２０倍以上であることが好ましい。水の量が少なすぎる場合は、ＴＤＩ系ポリウレア化合物への水の拡散が不十分になる。

加水分解時の温度は１７０℃以上、３７４℃未満が好ましく、特に１８０℃以上、３７４℃未満がより好ましい。温度が１７０℃よりも低い場合は分解速度が遅くなる。
なお、圧力は１ＭＰａ・ｓ以上２２．１ＭＰａ・ｓ未満が好ましく、特に５〜２０ＭＰａ・ｓがより好ましい。

ＴＤＩ系ポリウレア化合物の加水分解時間は、特に制限されないが、所定温度に達した後、１分〜３００分、好ましくは１分〜１５０分の範囲で行う。

水と、ＴＤＩ系ポリウレア化合物の混合加熱は、以下のいずれの方法によっても良いが、３）が好ましい。
１）水とＴＤＩ系ポリウレア化合物とを予め所定の温度にしておいて混合する。
２）水を、ＴＤＩ系ポリウレア化合物と混合したときに所定温度になるように加熱しておき、加熱された水とＴＤＩ系ポリウレア化合物とを混合することにより分解温度とする。
３）水とＴＤＩ系ポリウレア化合物を予めスラリー調製ドラム等において所定濃度になるように混合してスラリーを調製した後、分解温度まで加熱する。

このようにしてＴＤＩ系ポリウレア化合物を分解して得られた水溶液中には、ＴＤＡが主成分として含まれていることは言うまでもなく、ＴＤＡを通常の蒸留や抽出等の方法によって容易に回収することができる。回収されたＴＤＡは、必要によりさらに精製されたのち、ＴＤＩ製造工程に原料として用いることができる。

ＴＤＡが分離された水溶液中には二酸化炭素を主成分とする軽沸点成分が溶解しているが、これをスチームストリッピング等を実施することにより除去したのち、あるいは除去することなく、加水分解用の水として循環使用することもできる。あるいは、通常の廃水処理をしたのち排水することもできる。

ＴＤＩ製造時の蒸留残さとは、ＴＤＩの製造設備のいずれかの工程において蒸留することによって発生した蒸留残さであればいずれでもよい。通常、主にアミン製造工程又はアミンとカルボニル源例えばホスゲンとを反応する工程で得られた反応液を蒸留することにより生じる。

この蒸留残さの副生量はその製造方法によって異なるが、製造されるＴＤＩに対して約１０質量％程度の量である。この蒸留残さは通常液状であり、揮発成分を数１０質量％、例えば５０〜１０質量％含有している。

本発明において、上記蒸留残さから揮発成分を実質的に含有しない状態までに回収する装置としては薄膜蒸発器、ニーダー等攪拌及び加熱手段を有する装置等通常の揮発回収工程において用いられるものが挙げられる。これらの中で特にピストンフロー性を有する二相流型蒸発装置を用いることが好ましい。

ピストンフロー性を有する蒸発装置とは、装置の上流から下流への一定方向に向かって被蒸発体が流れる設備のことを意味する。二相流型蒸発装置とは、少なくとも気液、気固のいずれかの二相の流れを有する蒸発装置であり、気液固の三相が共存してもよい。

以下実施例により本発明を更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を何等制限するものではない。

〔ＴＤＩ系ポリウレア化合物の合成〕
メカニカルスターラーをつけたセパラブルフラスコ中、窒素気流下で２，４−トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）５．０５ｇをジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）３０ｍｌに溶解させた。ＴＤＩのＤＭＦ溶液を撹拌しながら、８０℃のオイルバスにて蒸留水０．５４ｇ／ＤＭＦ１００ｍｌの混合液を、滴下ロートを用いて、約３０分かけてＴＤＩのＤＭＦ溶液に加えた。その後、８０℃のオイルバスにて８時間、撹拌しながら加熱混合を続けた。反応液は、淡黄色の透明な液体であった。赤外分光測定により、イソシアネート基の吸収がなくなったことを確認した後、反応液を大過剰（２０００ｍｌ）の水へ滴下して加え、得られた白色沈殿物を吸引濾過により回収した。濾物は、水とメタノールにて数回洗浄した後、減圧乾燥して、白色粉末状のＴＤＩ系ポリウレア化合物４．００ｇを収率９３．２％で得た。得られたＴＤＩ系ポリウレア化合物は、ＤＭＦ、ジメチルスホキサイド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＡ）に可溶で、メタノール、クロロホルムなどの有機溶剤には溶解しなかった。

〔ＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解〕
実施例１〜８、比較例１〜３
マグネットスターラーを入れた容量：２００ｍｌのステンレス製オートクレーブに、前記ＴＤＩ系ポリウレア化合物０．５ｇ及び所定量の水（比較例１は不使用）を仕込み、容器内の空気を二酸化炭素ガスで置換した。その後、オートクレーブに液化炭酸ガスを仕込み、バンドヒーターを取り付けて１時間加熱し、所定の内圧及び温度に達したところで、２時間撹拌した。その後、氷浴にオートクレーブを浸けて、すばやく冷却した後、常圧に戻し、反応混合物を水で濾過して、水への可溶物と不溶物に分けて回収した。可溶物は、ロータリーエバポレータを用いて濃縮し、残った残さを回収した。分解率（Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｒａｔｉｏ（％））は、仕込量からの重量減少率とした。
実施例の結果（実施例１〜８、比較例１〜３、比較例１は水を用いず）を表１に示す。不溶物（濾物）をＦＴ−ＩＲ測定したところ（図１）、分解前のＴＤＩ系ポリウレア化合物のチャートと大きな差は見られなかった。また、ロータリーエバポレータを用いて濃縮して得られた、水へ可溶な成分は茶色みを帯びた黒色固体であった。該可溶物を¹Ｈ−ＮＭＲ測定したところ（図２）、当該物質は２，４−トリレンジアミン（ＴＤＡ）と同定できた。
ＴＤＩ系ポリウレア化合物の重量損失温度は５％重量損失（Ｔ_d5）が２４０．３℃、１０％重量損失（Ｔ_d10）が２６５．７℃であった。分解試験後に得られた水に不溶の濾物も同様の結果が得られた。

ＦＴ−ＩＲ測定条件
測定機器：ＦＴＳ３０００型ＦＴ−ＩＲ測定装置（Ｂｉｏ−Ｒａｄ社製）
測定法：ＫＢｒ法
検出器：ＭＣＴ
測定範囲：４００〜４０００ｃｍ^-1
感度：２
分解能：４ｃｍ^-1
積算回数：３２

¹Ｈ−ＮＭＲ測定条件
溶媒：重水（Ｄ₂Ｏ）
測定装置：超伝導多核種磁気共鳴装置ＪＮＭ−ＧＣ４００（日本電子社製）
積算回数：８回

熱重量損失測定条件
測定機器：ＴｈｅｒｍｏＰｌｕｓステーション及びＴＧ８１２０（理学電気社製）
標準試料：アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）
温度範囲：３０〜４５０℃
昇温速度：１０℃／分
窒素流量：１００ｍｌ／分

表１に示されている温度と圧力は、水の臨界条件（３７４℃、２２．１ＭＰａ）に達していないので、水は超臨界状態にはなっていないと判断できる。表１の比較例１（水添加なし）、および実施例１〜４（水添加量（ｍｌ）１０，２０，４０，８０）は、温度１９０℃，圧力５．０ＭＰａで２時間反応させた時のＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解率に対する水添加量の影響を図３に示す。比較例１（水添加なし）でも２８．７％の重量減少が確認され、水を１０ｍｌ以上添加するとほぼ完全に分解する。ＴＤＩ系ポリウレア化合物は、熱分解しやすいポリウレアであり、水の添加により、加水分解反応が促進されたものと考えられる。

表１の比較例２、３、実施例２について、縦軸に分解率、横軸に温度をとったグラフを図４に示す。一定の圧力下で温度を１２０（比較例２），１６０（比較例２），１９０℃（実施例２）に加熱したところ、比較例２の重量減少率は１２．４％と低かったのに対して、加熱に伴って分解率は顕著に上昇した。図４から、十分な分解率となるためには、温度が１７０℃以上であることが分かる。この結果から、分解時の温度は１７０℃以上、好ましくは１８０℃以上が適しているということが言える。

表１の実施例５〜８について、縦軸に分解率、横軸に圧力をとったグラフを図５に示す。１９０℃、水２０ｍｌ、反応時間２時間における種々の圧力下での重量減少率を示す。
分解率は、すべて９９．９％以上であった。このことからＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解反応は、圧力に依存しないことがわかる。ＴＤＩ系ポリウレア化合物の繰り返し単位が非対称であるので、対称の繰り返し単位をもつヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）等の脂肪族系ポリウレア化合物よりも結晶性が低く、二酸化炭素によるウレタン基間の水素結合を切断する必要がなくなったためと考えられる。

比較例３における、分解前のＴＤＩ系ポリウレア化合物及び分解後の濾物のＦＴ−ＩＲチャートである。重水（Ｄ₂Ｏ）可溶物の¹Ｈ−ＮＭＲチャートである。温度一定下（１９０℃）、圧力ほぼ一定（４．５〜５．２ＭＰａ）下、水添加量を変化させたときのＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解結果である。圧力一定下（５．０ＭＰａ）、水添加量一定下（２０ｍｌ）で、温度を変化させたときのＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解結果である。温度一定（１９０℃）、水２０ｍｌ、反応時間２時間における圧力を変化させたときのＴＤＩ系ポリウレア化合物の分解結果である。

図１において
１．：分解前のＴＤＩ系ポリウレア化合物のＦＴ−ＩＲチャートである。
２．：分解後の濾物のＦＴ−ＩＲチャートである。
図２において
ａ：メチル基に隣接するメチレン基の水素のピークである。
ｂ，ｃ：アミノ基に隣接するメチレン基の水素のピークである。
ｄ：メチル基の水素のピークである。

Claims

トリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物を超臨界状態又は亜臨界状態の二酸化炭素中で、液体または気体状態の水を用いて加水分解し、トリレンジアミンを回収することを特徴とする、トリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物の分解処理方法。
トリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物の質量に対して、水の質量が２０倍以上であることを特徴とする、請求項１記載のトリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物の分解処理方法。
加水分解時の温度が１７０℃以上、３７４℃未満であることを特徴とする、請求項１又は２記載のトリレンジイソシアネート系ポリウレア化合物の分解処理方法。