JP2012514065A - イソソルビドが共重合されたポリエステル樹脂の製造方法 - Google Patents

イソソルビドが共重合されたポリエステル樹脂の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】反応性が改善されて生産性を向上させ、触媒として用いられる金属量を減少させることにより高分子の透明度を増加させると共に、少量の触媒でも高分子量の共重合ポリエステル樹脂の製造が可能な方法の提供。
【解決手段】テレフタル酸またはジメチルテレフタレートに対しエチレングリコールとイソソルビドを含む全体グリコール成分をモル比で1.05〜3.0となるように投入してエステル化反応させる段階と、前記エステル化反応物に重縮合触媒として二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体および二酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体のチタニウム系化合物を用い、リン系化合物を安定剤として用いて重縮合させる段階を含んでなる、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法に係り、より詳しくは、エステル化反応と共縮合反応を経るポリエステルの製造方法であって、前記エステル化反応の際にグリコールをテレフタル酸またはジメチルテレフタレートに対し1.05〜3.0のモル比となるように投入し、前記重縮合反応において、チタニウム系化合物を重縮合触媒として用い、リン系化合物を安定剤として用いる、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法に関する。
最近、ポリエステル樹脂は、包装材、成形品、フィルムなどの分野において重要な材料として浮彫りになっている。ところが、テレフタル酸とエチレングリコールのみを原料として用いるホモポリマーは、成形性が足りないので、様々なグリコールまたはジカルボン酸で共重合したポリエステル樹脂が商業的ポリエステルとして位置付けられている。このようなポリエステル樹脂は、主にアンチモン触媒を用いて製造する方法を採用したが、最近では、触媒活性度が比較的遅くて過量を使用しなければならないアンチモン触媒の一部或いは全量をチタニウム系触媒で取り替えて反応することにより反応性が改善され、アンチモン触媒特有の灰色着色も回避する方法が研究されている。
ところが、特許文献1や特許文献2などに開示されたチタニウムアルコキシド系触媒は、アンチモン系触媒に比べて投入量の減少および反応性の改善の問題は解決することができるが、水分と敏感に反応して反応性が低下し沈殿物として析出されるので保管および取扱いに難しさがあり、エステル交換反応の際に発生する水分に影響されるので必要量以上を投入しなければならないという欠点がある。よって、最終的に得られるポリエステル樹脂または共重合ポリエステル樹脂の分子量を増加させるのには限界がある。
米国特許第5,681,918号明細書 米国特許第5,744,571号明細書
本発明者は、従来の技術によって製造されたポリエステル樹脂より優れた特性を有するポリエステル樹脂を製造するために研究検討した結果、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂を製造するにあたり、重縮合触媒としてチタニウム系化合物を用い、安定剤としてリン系化合物を用いて反応性を向上させることにより生産性が増加した共重合ポリエステルを製造することができることを見出し、これに基づいて本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂を製造する際に、従来の共重合ポリエステル樹脂より高分子量の共重合ポリエステルを製造することができ、金属含量を減少させて透明性を向上させた、イソソルビドが共重合されたポリエステル樹脂の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、カルボン酸に対し、イソソルビドを含む全体グリコール成分をモル比で1.05〜3.0となるように投入してエステル化反応させる段階と、前記エステル化反応物に対して重縮合触媒としてチタニウム系化合物を用い、安定剤としてリン系化合物を用いて重縮合させる段階とを含んでなる、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法を提供する。
本発明によれば、イソソルビドが共重合されたポリエステルを製造するが、二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体、二酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体のチタニウム系化合物を重縮合触媒として用い、リン系化合物を安定剤として用いて、従来の方法によって製造されたポリエステルに比べて固有粘度、色相、生産性などの様々な面で優れた結果を得ることができることを確認した。
また、同量の触媒を用いる場合にも、従来のチタニウムアルコキシド系触媒より色相を向上させることができ、少ない量を用いても同一或いはさらに明るい色相を示して最終反応物の金属含量を減少させることにより透明性が向上し、その結果として透明性および色相が向上した共重合ポリエステル樹脂を製造することができる。
しかも、アンチモン系触媒とゲルマニウム系触媒の場合より、同じ元素量を使用するときに高分子量のポリエステルを類似の時間内に重合することができるので、生産性が向上した共重合ポリエステル樹脂を製造することができる。
以下、本発明をさらに具体的に説明する。
本発明は、イソソルビドを含む共重合ポリエステルを製造する方法に関する。本発明に係るポリエステルの製造方法は、カルボン酸に対し、イソソルビドを含む全体グリコール成分をモル比で1.05〜3.0となるように投入してエステル化反応させる段階と、前記エステル化反応物に対して重縮合触媒としてチタニウム系化合物を用い、安定剤としてリン系化合物を用いて重縮合させる段階とを含んでなることを特徴とする。
ポリエステルおよび共重合ポリエステルは、脂肪族物質から全芳香族物質に至るまで構造を問わず一般に2段階の工程で製造されるが、第1段階は、ジカルボン酸エステルがエステル交換反応されるか、或いはジカルボン酸が過量のジアルコールによってエステル化されることにより、重縮合されるべきエステルが製造され、第2段階は、目的する高分子量のポリエステルまたは共重合ポリエステルが得られ、アルコールおよび/または水が離脱する実質的な重縮合反応に該当する。
本発明についてより具体的に考察すると、まず、テレフタル酸などのジカルボン酸を用いて、イソソルビドを含む共重合ポリエステルを製造する方法は、1次的にテレフタル酸などのジカルボン酸に対して、エチレングリコールとイソソルビドを含む全体グリコール成分をモル比で1.05〜3.0となるように投入し、230〜260℃および0.1〜3.0kg/cm2の条件下でエステル化反応を行う。前記グリコール成分がカルボン酸に対して前記モル比から外れるように投入される場合、エステル化反応が不安定であって、十分なエステルオリゴマーが形成されず、イソソルビドの特性が発現され難い。前記投入されるイソソルビドの量は最終ポリマー中の所望のモル%に近似した量とするが、本発明の場合には、結晶化による成形性の不良を防止するために、イソソルビドの量が全体グリコール成分中の1〜90モル%、好ましくは20〜90モル%となるように投入した。イソソルビドの量が全体グリコール成分中の1%未満で投入される場合には成形性の改善効果が現れず、イソソルビドの量が全体グリコール成分中の90%超過で投入される場合には過度な結晶化が行われ得るため、後処理に問題があるうえ、機械的性質が脆弱になるおそれがある。
一方、前記エステル化反応は、220〜280℃の温度と0〜3.0kg/cm2の圧力下で行う。この際、エステル化反応の温度は、好ましくは240〜260℃であり、さらに好ましくは245〜255℃である。また、エステル化反応時間は通常100〜500分程度がかかるが、これは反応温度、圧力、使用するジカルボン酸に対するグリコールのモル比によって異なる。本発明のようにポリエステル樹脂の製造方法をエステル化反応の第1段階および重縮合反応の第2段階に分けるとき、前述したようなエステル化反応には触媒が不要であるが、葉能時間の短縮のために触媒を投入してもよい。
また、第1段階であるエステル化反応はバッチ(Batch)式または連続式で行ってもよく、それぞれの原料は別途投入してもよいが、グリコールにテレフタル酸をスラリー状に作って投入することが最も好ましい。ここで、例えばイソソルビドなど、常温で固形のグリコールは、水またはEGに溶解してテレフタル酸とスラリーを作るか、或いはテレフタル酸、グリコールおよびイソソルビドが共にスラリーされた状態にイソソルビドの溶解度を高めるために水をさらに投入し、或いはスラリーを60℃以上で製造し、イソソルビドが溶融した状態でスラリーになれるようにすることができる。
前記エステル化反応の第1段階が完了した後には、重縮合反応の第2段階が行われる。第2段階の重縮合反応の開始前に、反応したエステル化反応物に重縮合触媒、安定剤および呈色剤などを添加する。
テレフタル酸とエチレングリコールのみを原料として用いるホモポリマーの成形性またはその他の物性を改善するために採用されるグリコール化合物としては、イソソルビド(1,4:3,6−ジアンヒドログルシトール)、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,2−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,2−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノールなどであり、これらの中でも、ホモポリマーの物性改善に主に使用するグリコール化合物はイソソルビドと1,4−シクロヘキサンジメタノールである。
また、テレフタル酸以外に物性改善のために使用するジカルボン酸化合物には、イソフタル酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、セバシン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸などがある。
一般に、重縮合触媒は、チタニウム、ゲルマニウムおよびアンチモン化合物の中から適切に選択して使用してきた。これらの中でも、チタニウム系触媒は、アンチモン系触媒に比べて少量を使用しても反応可能であり、ゲルマニウム系触媒に比べて少量を使用するうえ、価格が低いという利点があった。チタニウム系触媒のうち、使用可能な化合物としては、テトラエチルチタネート、アセチルトリプロピルチタネート、テトラヒプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、ポリブチルチタネート、2−エチルヘキシルチタネート、オクチレングリコールチタネート、ラクテートチタネート、トリエタノールアミンチタネート、アセチルアセトネートチタネート、エチルアセト酢酸エステルチタネート、イソステタリルチタネート、二酸化チタニウム、二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体、二酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体などを挙げることができるが、これらの中でも、本発明の目的に符合するものとしては、水分に敏感でなくて保管および取扱いが容易であり、反応性が改善されて生産性の向上が図れる二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体や二酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体であり、前記触媒のいずれか一つ或いは2つ以上を混合して使用することができる。触媒の使用量は、最終ポリマーの重量に対するチタニウム元素量を基準として1〜100ppm、好ましくは1〜50ppmである。添加される触媒量は、最終ポリマーの色相に影響を及ぼすので、所望の色相と使用する安定剤および呈色剤によって異なる。
また、その他の添加剤として添加されるものには安定剤および呈色剤などがある。安定剤は、一般にリン酸、リン酸トリメチル、リン酸トリエチルなどを使用することができ、その添加量はリン元素量を基準として最終ポリマーの重量に対し10〜100ppmである。安定剤の添加量が10ppm未満であれば、安定化効果が微々たり、色相が黄色く変わるという問題があり、安定剤の添加量が100ppm超過であれば、所望の高重合度に達しないという問題がある。
また、色相を向上させるために添加される呈色剤には、酢酸コバルトおよびプロピオン酸コバルトなどの通常の呈色剤を挙げることができ、その添加量は、最終ポリマーの重量に対し0〜100ppmが適切である。また、前記呈色剤以外にも、有機化合物を呈色剤として使用することもできる。
前記重縮合段階としての2段階は250〜290℃および400〜0.1mmHgの減圧条件下で行われる。前記重縮合段階は所望の固有粘度に到達するまで必要の時間だけ行われるが、反応温度は一般に250〜290℃、好ましくは260〜280℃である。また、重縮合反応は副産物として生ずるグリコールを取り除くために400〜0.1mmHgの減圧下で行うことにより、本発明に係るイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂を得る。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。ところが、これらの実施例は本発明の範疇を限定するものではない。また、下記実施例および比較例で特に言及しない限り、単位「部」は「重量部」を意味し、提示される物性は次の方法で測定した。
◎固有粘度(IV):150℃のオルト−クロロフェノールに0.12%濃度で溶解した後、35℃の恒温槽でウベローデ型粘度計を用いて測定する。
○色相:Pacific Scientific社のCalorgard Systemを用いて測定する。
実施例1
攪拌器と流出コンデンサーを備えた3Lの反応器にテレフタル酸1190部、イソソルビド300部およびエチレングリコール540部を入れて窒素で圧力を2.0kg/cm3に上げた後、反応器の温度を徐々に255℃まで上げながら反応を行わせる。この際、発生する水を界外に流出させてエステル化反応をさせ、水の発生および流出が終了すると、攪拌器、冷却コンデンサーおよび真空システム付きの重縮合反応器に反応物を移す。エステル化反応物に二酸化チタニウムと二酸化シコンとの共重合体をチタニウム元素量を基準として最終ポリマー量に対し20ppmとなるように添加し、リン酸トリエチルをリン元素量を基準として最終ポリマー量に対し30ppmとなるように添加し、酢酸コバルトをコバルト元素量を基準として最終ポリマー量に対し60ppmとなるように添加した後、内部の温度を240℃から275℃まで上げながら圧力を1次的に常圧から50mmHgまで減圧し40分間低真空反応させ、エチレングリコールを抜き出し、さらに0.1mmHgまで徐々に減圧して高真空の下で所望の固有粘度となるまで反応させた後、これを吐き出してチップ状に切断する。こうして製造されたイソソルビドを含む共融合ポリエステル樹脂の上述した方法によって固有粘度と色相を測定し、固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表1に示した。
比較例1〜2
触媒の種類を下記表1のように変化させた以外は前記実施例1と同様の方法で行い、固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表1に示した。
Figure 2012514065
実施例2
攪拌器と流出コンデンサーを備えた1000mLの反応器にテレフタル酸320部、イソソルビド80部およびエチレングリコール140部を添加した後、窒素で圧力を1.0kg/cm2に上げた後、反応器の温度を徐々に255℃まで上げながら反応を行わせる。この際、発生する水を界外に流出させてエステル反応させ、水の発生および流出が終了すると、攪拌器、冷却コンデンサーおよび真空システム付きの重縮合反応器に反応物を移す。エステル化反応物に二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体をチタニウム元素量を基準として最終ポリマー量に対し20ppmとなるように添加し、リン酸をリン元素量を基準として最終ポリマー量に対し30ppmとなるように添加し、酢酸コバルトをコバルト元素量を基準として最終ポリマー量に対し60ppmとなるように添加した後、内部の温度を240℃から275℃まで上げながら圧力を1次的に常圧から50mmHgまで減圧し40分間低真空反応させ、エチレングリコールを抜き出し、さらに0.1mmHgまで徐々に減圧して高真空の下で所望の固有粘度となるまで反応させた後、これを吐き出してチップ状に切断する。こうして製造されたイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の固有粘度と色相を測定し、固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表2に示した。
比較例3〜4
触媒の種類を下記表2のように変化させた以外は前記実施例2と同様の方法で行い、固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表2に示した。
Figure 2012514065
実施例3
攪拌器と流出コンデンサーを備えた1000mLの反応器にテレフタル酸320部、イソソルビド80部およびエチレングリコール140部を添加し、窒素で圧力を1.0kg/cm2に上げた後、反応器の温度を徐々に255℃まで上げながら反応を行わせる。この際、発生する水を界外に流出させてエステル化反応させ、水の発生および流出が終了すると、攪拌器、冷却コンデンサーおよび真空システム付きの重縮合反応器に反応物を移す。エステル化反応物に二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体をチタニウム元素量を基準として最終ポリマー量に対し30ppmとなるように添加し、リン酸をリン元素量を基準として最終ポリマー量に対し50pppmとなるように添加し、酢酸コバルトをコバルト元素量を基準として最終ポリマー量に対し80ppmとなるように添加した後、内部の温度を240℃から270℃まで上げながら圧力を1次的に常圧から50mmHgまで減圧し40分間低真空反応させ、エチレングリコールを抜き出し、さらに0.1mmHgまで徐々に減圧して高真空の下で所望の固有粘度となるまで反応させた後、これを吐き出してチップ状に切断する。こうして製造されたイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の固有粘度と色相を測定した。測定された固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表3に示した。
比較例5〜6
触媒の種類を下記表3のように変化させた以外は、前記実施例3と同様の方法で行った。この反応条件と共に、固有粘度および色相を下記表3に示した。
Figure 2012514065
実施例4
攪拌器と流出コンデンサーを備えた3Lの反応器にテレフタル酸1100部、イソソルビド80部、1,4−シクロヘキサンジメタノール195部およびエチレングリコール310部を添加した後、窒素で圧力を1.0kg/cm2に上げた後、反応器の温度を徐々に255℃まで上げながら反応を行わせる。この際、発生する水を界外に流出させてエステル反応させ、水の発生および流出が終了すると、攪拌器、冷却コンデンサーおよび真空システム付きの重縮合反応器に反応物を移す。エステル化反応物に二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体をチタニウム元素量を基準として最終ポリマー量に対し30ppmとなるように添加し、リン酸をリン元素量を基準として最終ポリマー量に対し50ppmとなるように添加し、酢酸コバルトをコバルト元素量を基準として最終ポリマー量に対し80ppmとなるように添加した後、内部の温度を240℃から270℃まで上げながら圧力を1次的に常圧から50mmHgまで減圧し40分間低真空反応させ、エチレングリコールを抜き出し、さらに0.1mmHgまで徐々に減圧して高真空の下で所望の固有粘度となるまで反応させた後、これを吐き出してチップ状に切断する。こうして製造されたイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の固有粘度と色相を測定した。測定された固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表3に示した。
比較例7〜8
触媒の種類を下記表4のように変化させた以外は前記実施例4と同様の方法で行い、この反応条件と共に、固有粘度および色相を下記表4に示した。
Figure 2012514065
実施例5
攪拌器と流出コンデンサーを備えた3Lの反応器にテレフタル酸1100部、イソソルビド80部、1,4−シクロヘキサンジメタノール195部およびエチレングリコール310部を添加し、窒素で圧力を1.0kg/cm2に上げた後、反応器の温度を徐々に255℃まで上げながら反応を行わせる。この際、発生する水を界外に流出させてエステル反応させ、水の発生および流出が終了すると、攪拌器、冷却コンデンサーおよび真空システム付きの重縮合反応器に反応物を移す。エステル化反応物に二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体をチタニウム元素量を基準として最終ポリマー量に対し30ppmとなるように添加し、リン酸をリン元素量を基準として最終ポリマー量に対し50ppmとなるように添加し、酢酸コバルトをコバルト元素量を基準として最終ポリマー量に対し80ppmとなるように添加した後、内部の温度を240℃から270℃まで上げながら圧力を1次的に常圧から50mmHgまで減圧し40分間低真空反応させ、エチレングリコールを抜き出し、さらに0.1mmHgまで徐々に減圧して高真空の下で所望の固有粘度となるまで反応させた後、これを吐き出してチップ状に切断する。こうして製造されたイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の固有粘度と色相を測定した。測定された固有粘度、重縮合反応時間および色相を下記表3に示した。
比較例9〜10
触媒の種類を下記表5のように変化させた以外は前記実施例5と同様の方法で行った。この反応条件と共に、固有粘度および色相を下記表5に示した。
Figure 2012514065
前述したように、イソソルビド含量が1〜90モル%の共重合ポリエステル樹脂を製造するにあたり、重縮合触媒として二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体や酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体のチタニウム系化合物を用いて、最終的に得られる共重合ポリエステル樹脂の反応性に優れて生産性増大効果も得られることを確認することができる。

Claims (8)

  1. カルボン酸に対し、イソソルビドを含む全体グリコール成分をモル比で1.05〜3.0となるように投入してエステル化反応させる段階と、
    前記エステル化反応物を、二酸化チタニウムと二酸化シリコンとの共重合体、二酸化チタニウムと二酸化ジルコニウムとの共重合体、およびこれらの混合物よりなる群から選ばれたチタニウム系化合物を重縮合触媒として用いて重縮合させる段階とを含んでなることを特徴とする、イソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  2. 前記イソソルビドは全体グリコール成分に対し1〜90モル%となるように投入されることを特徴とする、請求項1に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  3. 前記イソソルビドは全体グリコール成分に対し20〜90モル%となるように投入されることを特徴とする、請求項2に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  4. 前記チタニウム系化合物をチタニウム元素量を基準として最終ポリマーの重量に対し1〜100ppm使用することを特徴とする、請求項1に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  5. 前記チタニウム系化合物をチタニウム元素量を基準として最終ポリマーの重量に対し1〜50ppm使用することを特徴とする、請求項1に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  6. 前記重縮合段階ではリン系化合物を安定剤として用いることを特徴とする、 請求項1に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  7. 前記安定剤としてのリン系化合物はリン酸、リン酸トリメチルまたはリン酸トリエチルであることを特徴とする、請求項6に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
  8. 前記リン系化合物は、リン元素量を基準として最終ポリマーの重量に対し10〜100ppmの量で使用することを特徴とする、請求項6または7に記載のイソソルビドを含む共重合ポリエステル樹脂の製造方法。
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