JP2014528018A - アニオン重合によりポリアミドを製造する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、アニオン触媒及びカプロラクタムでキャップされたポリイソシアネートの存在下で、ラクタムのアニオン重合によりポリアミド、好ましくは架橋ポリアミドを製造する方法であって、前記イソシアネートは3.5個以上のキャップされたイソシアネート基を含むことを特徴とする製造方法に関する。

Description

本発明は、アニオン触媒及びカプロラクタムでキャップされたポリイソシアネートの存在下で、ラクタムのアニオン重合によりポリアミド、好ましくは架橋ポリアミドを製造する方法であって、前記イソシアネートは3.5個以上のキャップされたイソシアネート基を含むことを特徴とする製造方法に関する。
ラクタム、例えばカプロラクタムは、アニオン的に重合され得る。この方法は一般的に触媒を使用し、また開始剤(活性化剤とも呼ばれる)も使用する(活性化アニオン重合)。
これまでにしばしば使用されている開始剤又は活性化剤は、ジイソシアネート類又はこれらの誘導体を含んでいる。US4,7540000(BayerAG)には、ビウレット基を含み非芳香族ジイソシアネートから誘導されるポリイソシアネートを活性化剤として使用することによりポリアミドを製造するためのラクタムの活性化アニオン重合について記載されている。
EP1091991(BASF AG)には、成分Aとして3.5個を超える平均NCO官能価を有するポリイソシアヌレートを含む組成物、及び、記載された組成物を使用することにより表面コーティング組成物を製造する方法が開示されている。
US3423372では、実施例において、非常に低い濃度の活性化剤を用いて(1/200〜1/50モル)、キャップされていないポリイソシアネートを使用しており、これにより反応性を顕著に低下させている。この重合は、このUS特許で使用された濃度で3分超かかる。
EP0156129では、多機能活性化剤の前駆体としてゴム(すなわち、エラストマー)を使用しており、それゆえに、結果として得られたPAは剛性がなく、最大1.12GPaである。前記の活性化剤は分子量Mwが高く、ここでは大量の活性化剤が必要とされる(少なくとも20%)。二官能性及び多官能性の活性化剤の混合物が使用され、結果として得られたポリアミドは、それゆえに架橋されていない材料である。
本発明の目的のために、「注型重合」及び「注型ポリアミド」の表現は、特定のタイプの重合、(例えば射出成型では一般的であるように)特に高圧を使用しないタイプの重合のことをいい、それぞれ結果として得られたポリアミドのことをいう。
US4754000 EP1091991 US3423372 EP0156129
しかしながら、これまでに記載したシステムは、高い分子量をもつポリアミドを製造するためのごく限られた機能しか持っていない。唯一の可能性は活性化剤の濃度を低下させることであるが、これは同時にそのシステムの反応性を大きく減少させる。さらに、従来製造されたポリアミドは、架橋された材料ではなく、それゆえに、熱可塑性樹脂である。架橋に関連する有利な熱硬化特性(例えば良好な塑性変形、高い耐薬品性)を有する高いレベルの架橋を実現することはできなかった。
それゆえに、目的はポリアミド、特に注型ポリアミドを製造することができ、より高いレベルの架橋度を有する高分子量のポリアミドへのアクセスを提供する方法を提供することであった。
意外にも、前記の目的は、特に特許請求の範囲で定義した通りの新規開始剤(又は活性化剤)の使用のより実現された。
したがって、本発明は、アニオン触媒及び活性化剤の存在下で、少なくとも1種のラクタムのアニオン重合によりポリアミド、好ましくは架橋ポリアミドを製造する方法であって、活性化剤は、カプロラクタムでキャップされたポリイソシアネートであり、平均して3.5個を超える(好ましくは少なくとも4、特に好ましくは少なくとも5、より特に好ましくは少なくとも8、最も好ましくは少なくとも10個の)キャップされたイソシアネート基を含み、ラクタムの活性化剤に対するモル比は、好ましくは1:1〜10000:1、特に好ましくは10:1〜1000:1、より特に好ましくは20:1〜500:1であり、反応中の温度は、好ましくは70〜300℃、特に好ましくは100〜170℃、より特に好ましくは120〜170℃である製造方法を提供する。
本発明の目的のために「架橋ポリアミド」の表現は、ポリマー鎖ごとに少なくとも一つの架橋ポイントが存在することを意味している。
本発明の目的のために「キャップされたイソシアネート基」の表現は、別の官能基、例えばカプロラクタム基によってブロックされているイソシアネート基のことをいう。この基は、その時、反応中のイソシアネート基をブロックする「保護基」として作用する。
本発明はさらに本発明の方法により製造することのできるポリアミド、好ましくは架橋ポリアミド及び、本発明の方法によって製造することのできるポリアミド、好ましくは架橋ポリアミドを、コーティング剤、構造要素、包装フィルム又はレーザー焼結粉末として、及び/又はローター成形中に使用する方法について提供する。
本発明の一つの好ましい実施形態においては、開始剤は平均して少なくとも4個、特に好ましくは5個のキャップされたイソシアネート基を含む。
本発明の別の好ましい実施形態においては、開始剤は平均して少なくとも8個、特に好ましくは少なくとも10個のキャップされたイソシアネート基を含む。
開始剤(活性化剤)におけるキャップされたイソシアネート基の数は、ここでは、さまざまな化合物の混合物であってよい使用される全て開始剤についての平均として計算されている。
例えば、ジイソシアネートのオリゴマー化を経由する開始剤の製造は通常、純粋な生成物を生成しないが、代わりにさまざまな程度にオリゴマー化された化合物を生成するので、得られた化合物の官能価は平均値としてのみ記述することができる。
キャップされたイソシアネート基の割合は滴定により決定され得る。この方法では、例として、キャップされたイソシアネート基を含む化合物又は混合物は、アミン化合物、例えばジブチルアミンと反応し、これによって尿素誘導体が製造される。そして、過剰のアミンはHClによって逆滴定される。
その開始剤は、EP1091991B1(特に[0026]〜[0030]の段落を参照)に記載されている方法を類推することによって製造され得る。
本発明の一つの実施形態においては、開始剤はイソシアヌレートであるが、本発明の別の実施形態においては開始剤はポリオール又はポリアミンから製造され得る。しかしながら、活性化剤はポリオールを含まないことが好ましい。
代替として、平均して3.5個を超えるキャップされたハロゲン化アシル基を有するハロゲン化アシルもまた、ラクタムの活性化されたアニオン重合用の開始剤に好ましい。
好適なラクタムは、特にカプロラクタム、ピペリドン、ピロリドン、ラウリルラクタム又はこれらの混合物である。
本発明の好ましい実施形態においては、カプロラクタム、ラウリルラクタム及びこれらの混合物を含む群からの化合物が使用され、特に好ましいのは、ここではカプロラクタム又はラウリルラクタムである。
環状ラクトンを共重合することもまた可能である。
好適な触媒は、特に、ナトリウムカプロラクタメート、カリウムカプロラクタメート、臭化マグネシウムカプロラクタメート、塩化マグネシウムカプロラクタメート、マグネシウムビスカプロラクタメート、ナトリウム水素化物、ナトリウム金属、水酸化ナトリウム、ナトリウムメトキシド、カリウムエトキシド、ナトリウムプロポキシド、ナトリウムブトキシド、カリウム水素化物、カリウム金属、水酸化カリウム、カリウムメトキシド、カリウムエトキシド、カリウムプロポキシド又はカリウムブトキシドである。
本発明の方法のための触媒は、好ましくはナトリウム水素化物、ナトリウム金属、ナトリウムカプロラクタメートを含む群から選択される。特に好ましいのは、ここではナトリウムカプロラクタメート(例えば、Bruggolen(R) C 10、カプロラクタム中18質量%のナトリウムカプロラクタメートの溶液)である。
当然ながら、ポリマーもまた従来の添加物の1種又はそれ以上と混合され得る。例えば、流動向上剤、安定剤、離型剤、難燃剤、充填剤(例えば有機及び/又は無機充填剤)、滑剤及びプレポリマー、又はモノマー中に分散した又は可溶なポリマーである。
ラクタムの触媒に対するモル比は幅広く変えることができるが、一般的には、1:1〜10000:1であり、好ましくは10:1〜1000:1、特に好ましくは20:1〜300:1である。
活性化剤の触媒に対するモル比は幅広く変えることができるが、一般的には10:1〜1:100、好ましくは5:1〜1:10、特に好ましくは2:1〜1:5である。
ラクタムの活性化剤に対するモル比は幅広く変えることができるが、一般的には1:1〜10000:1、好ましくは10:1〜1000:1、特に好ましくは20:1〜500:1である。
反応中の温度は幅広く変えることができるが、一般的には70〜300℃、好ましくは100〜170℃、特に好ましくは120〜170℃である。
本発明の方法の1つの好ましい実施形態においては、まさに1種のラクタムを使用することである。
本発明の方法の他の好ましい実施形態においては、まさに1種の触媒を使用することである。
本発明の方法の他の好ましい実施形態においては、まさに1種の開始剤を使用することである。
本発明の方法の、特に好ましい実施形態においては、まさに1種のラクタム、まさに1種の触媒及びまさに1種の開始剤を使用することである。
本発明の方法は、特に注型重合、噴霧重合、反応押出法、分散重合又はローター成形法の形式をとることができる。
本発明の方法が本発明の活性化剤を用いて行われるとき、ポリアミド生成物の分子量(M)は増加する。同時に、高レベルの架橋が実現され、高レベルの架橋はその生成物の増加した粘度から明らかである。
本発明で製造され得るポリアミドは、特に内装、外装、ボディ又はシャーシ(例えば客室)、車体底部、耐加重構造、ホイール回り、タンク用インライナー、歯車及びハウジングにおける自動車構造の構造材料として、及びコーティング剤、包装フィルム又はレーザー焼結粉末として、及び/又はローター成形中に使用することができる。
以下の節は本発明を説明するいくつかの実施例である。これらの実施例は説明のためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限することを意図していない。
ポリイソシアネートの製造:
ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)を、窒素下で最初の充填物として使用し、その材料を80℃に加熱した。(ジイソシアネートを基準として)400質量ppmの触媒N、N、N−トリメチル−N−(2−ヒドロキシプロピル)アンモニウム2−エチルヘキサノエートを加え、その混合物を80℃で反応させ、反応を、(ジイソシアネートを基準として)400質量ppmのジ−2−エチルヘキシルホスフェートを加えることにより、粗生成物中の所望とするNCO含量で終結させた。単量体のHDIを除去するために、その後、反応混合物を薄膜蒸発器内で、昇温かつ減圧(2、5mbar)下で蒸留した。残ったHDIモノマーの含量は0.3質量%未満である。
開始剤A1:80質量%のキャップされた脂肪族ポリイソシアネートをカプロラクタムと80℃で30分混合すると、55.03質量%のカプロラクタム中に44.97質量%のキャップされたポリイソシアネートが得られる。
開始剤A2:77.51質量%のカプロラクタム中に、22.49質量%のキャップされた脂肪族ポリイソシアネートを含む。本発明もまたキャップされていない開始剤(カプロラクタムを含まない)を使用することができる。
本発明の実施例1及び2及び比較例A:
ε−カプロラクタムのアニオン重合を経由するナイロン−6の合成
全ての重合反応は、グリースを含まないテフロン(登録商標)皿で封止され且つ熱電対を備える50mlのガラスの熱量計反応器内で、乾燥アルゴン下で、撹拌しながら140℃で行った。
固有粘度(IV)はISO307(96%の硫酸中のC=5g/lを使用)に従って測定した。
残留カプロラクタムはクロマトグラフにより測定した。DSC測定は、Waters GmbHのQ−2000熱量計内で行った。入力質量は約8.5mgであり、加熱及び冷却速度は20K/minであった。試料の測定はISO11357−2、3、及び7に基づいていた。100%結晶性ポリアミドの220J/gの融解エンタルピーはを参考として用いた。
[比較例A]
8.34g(73.8mmol)のε−カプロラクタム及び0.51g(1.04mmol)のBruggolen(R)C20(80%w/wのε−カプロラクタム中のブロックされたジイソシアネート)を反応器において140℃で混合し、140℃の温度で数分間維持した。混合物の温度が140℃に達した時点で、1.15g(1.44mmol)のBruggolen(R)C10触媒(17%w/wのε−カプロラクタム中のε−カプロラクタメート)を室温で固体として溶融混合物に加え、重合を10分間進行させた。その後、水(10℃)の中で反応器を冷却することによりそのシステムを急冷する。これにより9.92gのナイロン−6を固体として得た。
180.6℃の最高温度が52秒後に計測された。
そのポリマーは1.5%の残余のカプロラクタムを含み、その溶液粘度は185である。
結晶化度は30%と計測された。
実施例1
7.83g(69.3mmol)のε−カプロラクタムと1.02gの開始剤A(44.97%w/w、ε−カプロラクタム中)を反応器の中で140℃で混合し、140℃の温度で2,3分維持した。その混合物の温度が140℃に達した時点で、1.15g(1.44mmol)のBruggolen(R)C10触媒(17%w/wのε−カプロラクタム中のε−カプロラクタメート)を室温で固体として溶融混合物に加え、重合を10分間進行させた。その後、水(10℃)の中で反応器を冷却することによりそのシステムを急冷する。これにより9.79gのナイロン−6を固体として得た。
178.7℃の最高温度が55秒後に計測された。
そのポリマーは1.8%の残余のカプロラクタムを含む。そのポリマーのIVはそのポリマーが硫酸に不溶であるため計測することはできない。
結晶化度は23%と計測された。
実施例2
9.2g(81.4mmol)のε−カプロラクタムと0.80gの開始剤A(22.49%w/w、ε−カプロラクタム中)を反応器の中で140℃で混合し、140℃の温度で2,3分維持した。その混合物の温度が140℃に達した時点で、0.4g(0.35mmol)のBruggolen(R)C10触媒(17%w/wのε−カプロラクタム中のε−カプロラクタメート)を室温で固体としてその溶融混合物に加え、重合を10分間進行させた。その後、水(10℃)の中で反応器を冷却することによりそのシステムを急冷した。これにより9.86gのナイロン−6を固体として得た。
182.8℃の最高温度が66秒後に計測された。
そのポリマーは2.3%の残余のカプロラクタムを含む。そのポリマーのIVはそのポリマーが硫酸に不溶であるため計測することはできない。
結晶化度は23%と計測された。
したがって従来の方法で比較した場合、本発明の開始剤及び本発明の方法により、分子量が増加し(それゆえに粘度が増加した)、高レベルの架橋度を有する(それゆえに結晶化度が低い)ポリアミドが得られることが実験結果により示されている。

Claims (14)

  1. アニオン触媒及び活性化剤の存在下で、少なくとも1種のラクタムのアニオン重合によりポリアミドを製造する方法であって、前記活性化剤は、カプロラクタムでキャップされたポリイソシアネートであり、平均して3.5個を超えるキャップされたイソシアネート基を含むことを特徴とする製造方法。
  2. 前記活性化剤が平均して4個を超えるキャップされたイソシアネート基を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記活性化剤がキャップされた脂肪族ポリイソシアネートであることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。
  4. 前記活性化剤の平均分子量Mwが1500未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
  5. 前記少なくとも1種のラクタムが、カプロラクタム、ラウリルラクタム及びこれらの混合物を含む群から選択されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
  6. 使用されるラクタムの全てが、カプロラクタム、ラウリルラクタム及びこれらの混合物を含む群から選択されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
  7. まさに1種のラクタムを使用することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。
  8. 前記アニオン触媒が、ナトリウム水素化物、ナトリウム金属、ナトリウムカプロラクタメート及びこれらの混合物を含む群から選択されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法。
  9. 前記活性化剤に対するラクタムのモル比が1:1〜10000:1、好ましくは20:1〜500:1であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の製造方法。
  10. 重合中の温度が70℃〜300℃、好ましくは100℃〜170℃の範囲内であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の製造方法。
  11. 前記活性化剤がポリオールを含まないことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の製造方法。
  12. ポリアミドの弾性率が2000MPaを超えることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
  13. 請求項1〜12の何れかの方法により製造することができるポリアミド。
  14. 請求項1〜12の何れかの方法により製造することができるポリアミドを、コーティング剤、構造要素、包装フィルム又はレーザー焼結粉末として、及び/又はローター成形中に使用する方法。
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