JP2023540343A - ポリエステル重合体 - Google Patents
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Abstract
本発明は、熱変色が改善されると同時に分子量が大きいポリエステル重合体を提供する。
Description
本発明はポリエステル重合体に関するものであって、より詳しくは、原料物質としてジカルボン酸芳香族ヘテロ環化合物またはその誘導体を使用して、分子量と熱変色物性が改善されたポリエステル重合体を提供するという効果がある。
ポリエステルは、生分解性のある、環境にやさしい高分子である。ポリエステルの単量体として有用なジカルボン酸芳香族ヘテロ環化合物またはその誘導体は、通常5-ヒドロキシメチルフルフラールを酸化させて製造される誘導体であって、代表的な例として2,5-フランジカルボン酸が挙げられる。参考として、5-ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)は、糖から得られるため、自然で広範囲に使用可能な原料の誘導体である。
前記ジカルボン酸芳香族ヘテロ環化合物またはその誘導体を、ジオール類とエステル化反応およびこれによって得られたオリゴマーの縮重合反応によってポリエステルを製造する技術が開発されている。
前記エステル化反応は、常圧または加圧の条件にて不活性ガス雰囲気下で起こる、二塩基酸のカルボキシル基とグリコールのOH基との間の結合反応であって、副生成物として水が生成される(反応式1)。
前記反応は、生成された水を流出水として除去することによって促進され、流出水が発生しなければ、当該エステル化反応が終了したと類推することができる。必要に応じて重合触媒を添加することによっても反応が加速される。この際、温度は150~240℃、圧力は1bar~6barの下で1~6時間行うことができる。
また、前記縮重合反応は、減圧環境下での前述のエステル化反応によって得られたオリゴマー中における一側のオリゴマーの末端グリコールが抜け、他の一側のオリゴマーの末端グリコールと結合を起こす。この際、温度は230~285℃、真空下で1~24時間行うことができる。副反応物としてはグリコールが生成され(反応式2)、これを流出させて除去することによって、反応が促進されて重合度が増大していく。
即ち、ポリエステルのような汎用プラスチックにて、生分解性を導入すると同時に高分子鎖に長鎖を導入する技術が重要である。長鎖を導入することによってせん断流動化性向を付与することができることから、ブローフィルム、キャストフィルム、射出成形、ブロー成形、熱成形などの用途で、優れた加工性を実現することができる。
一方、前述の縮重合工程で炭素原子間の二重結合の生成に起因して着色が発生しうる(反応式3)。
このような着色は、通常、縮重合工程を通じて得られるポリエステルの分子量を上げるほど反比例するというトレードオフ関係にあると知られていて、熱変色がないのでありながらも分子量が大きい高分子を得るのに限界がある。
本発明の目的は、熱変色が改善されると同時に分子量が大きいポリエステル重合体を提供することである。
本発明の一側面は、下記化学式1で表す繰り返し単位体を含み、固有粘度が0.45dL/g以上であり、Lab色差計でのb値が13.5以下である、ポリエステル重合体を提供する。
(上記化学式1中、前記Aはフラン系単位体であり、前記aは置換もしくは非置換の炭素数2~20のアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数5~20のシクロアルキレンであり、
mは1以上の整数である。)
mは1以上の整数である。)
また、下記数式1の値が0.5以上でありうる。
(上記数式1中、ΔIVは35℃および25℃のそれぞれで測定された固有粘度値の差の値であり、b値は、Lab色差計でのb値である。)
下記化学式2で表す繰り返し単位体を含むことができる。
(上記化学式2中、前記Aはフラン系単位体であり、前記aは、置換もしくは非置換の炭素数2~20のアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数5~20のシクロアルキレンであり、前記bは、置換もしくは非置換の炭素数2~20のアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数3~20のヘテロアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数5~20のシクロアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数6~20のアリーレンであり、
m、n、o、pは、0以上の整数であり、m+n+o+p≧2である。)
m、n、o、pは、0以上の整数であり、m+n+o+p≧2である。)
また、前記n値は、前記m値より大きいものであってもよい。
また、前記Aは、それぞれ独立して下記化学式3で表す構造を含むことができる。
前記化学式1および前記化学式2の共重合体のaは、下記化学式6a~化学式6cで表される化合物に由来した単位体の中から選択できる。
前記化学式2の共重合体のbは、下記化学式6b~化学式6uで表される化合物に由来した単位体の中から選択できる。
また、下記数式2の値が0.5以上の値を満たすことができる。
(上記数式2中、ΔIVは35℃および25℃のそれぞれで測定された固有粘度値の差の値であり、b値はLab色差計でのb値であり、Tgはガラス転移温度である。)
本発明は、長鎖を有するポリエステル重合体を提供する。長鎖を導入することによって、分子量の大きい高分子をさらに容易に提供することができ、また、熱変色が改善された高分子を得ることができる。具体的に、本発明は、ポリマーが一定水準以上の分子量を有するまでにかかる合成時間を短縮させることによって、ポリマーが高温に露出される時間を最少化する。これによって、本発明は、熱変色が最少化されたポリエステル重合体を提供することができる。
明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”というとき、これは、特別な反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
本発明の一実施形態によるポリエステル重合体は、下記化学式1で表す繰り返し単位体を含む。
ここで、Aとしてフラン系単位体を使用して生分解性ポリエステル重合体を製造することができる。
ここで、aはポリエステル重合体にアルキレンを提供する単位体であって、置換もしくは非置換の炭素数2~20のアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数5~20のシクロアルキレンであり、mは1以上の整数である。
本明細書で使用された用語アルキレンはアルキルから誘導される2価ラジカルを称し、ここで、アルキルは直鎖、分枝鎖または環状の炭化水素ラジカルを含む。ここで、アルキルの炭素数は2~10であるものを使用することができる。具体的な例として、前記アルキレンは、エチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ヘキセンジオール、オクタンジオールなどが挙げられ、これに限定するのではない。
本明細書で記載された置換とは、炭化水素内の水素原子一つ以上が、互いに独立的に同一であるか異なる置換基で代替されることを意味する。公知の多様な置換基を含むことができ、具体的な記載は省略する。
前記aは、前記式1の重合体においてAのフラン系単位体1モルを基準にして1.2~3.6のモル比、または1.2~2.0のモル比で使用して反応速度が早く高分子量のポリエステル重合体を提供することができる。一例として、前記ポリエステル重合体は、固有粘度が0.45dL/g以上で分子量が大きく、Lab色差計でb値が13.5以下であって熱変色が改善された高分子であってもよい。
また、mは1以上の整数であり、繰り返し単位体の個数を示すことができるが、これに限定するのではない。
前記ポリエステル重合体は、下記数式1の値が0.5以上であってもよい。
ここで、ΔIVは、常圧、25℃にて、および、常圧、35℃にて、それぞれ測定された固有粘度値の差の値であり、b値は、Lab色差計でのb値である。
本発明の一実施形態によるポリエステル重合体は、下記化学式2で表す繰り返し単位体を含むことができる。
ここで、bは、ポリエステル重合体にアルキレンを提供する単位体であって、置換もしくは非置換の炭素数2~20のアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数3~20のヘテロアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数5~20のシクロアルキレン、あるいは置換もしくは非置換の炭素数6~20のアリーレンでありうる。
本発明で使用する用語ヘテロアルキレンとは、ヘテロアルキルから誘導された2価ラジカルを指称する。ここで、ヘテロアルキルは、それ自体でまたは他の用語と組み合わされて、他の意味として明示されない限り、1種以上の炭素原子およびO、N、P、SiおよびSからなる群より選択される1種以上の異種原子からなる安定した直鎖または分枝鎖または環状炭化水素ラジカル、またはこれらの組み合わせを意味し、窒素、リンおよび硫黄原子は任意に酸化されうるのであり、窒素異種原子は任意に4次化されることもありうる。
また、本発明で使用する用語アリーレンとは芳香族炭化水素から誘導された2価ラジカルを意味し、用語アリールは他の意味として提示されない限り、共に融合または共有結合された単一環または多重環(一つ~三つの環)である多重不飽和、芳香族、炭化水素置換基を意味する。
但し、bとしては、前述のaと異なる種類を使用することが好ましい。
前記m、n、o、pは0以上の整数であり、m+n+o+p≧2である。ここで、m、n、o、pは、繰り返し単位体の個数を示すことができるが、これに限定するのではない。
ここで、Aとaは、前述のものと繰り返される記載は省略し、追加的に見てみると、前記Aは下記化学式3で示す構造を含むものであってもよい。
具体的に、前記式1の重合体のAは、下記化学式4または下記化学式5で表す構造を有する化合物をはじめとする、炭素数1~20のアルコキシ基置換構造を有する化合物に由来したものでありうる。
ここで、前記化学式1または化学式2の重合体の実施形態で使用可能なaは、下記化学式6a~化学式6cで表される化合物に由来した単位体の中から選択されるものでありうる。
また、化学式2の重合体にて使用可能なbは、下記化学式6b~化学式6uで表される化合物に由来した単位体の中から選択されるものでありうるのであり、ここで、化学式6kにてMnは260以内であるのが好ましい。
参照として、前述のaとしてエチレングリコールを選択し、bとしてエチレングリコール以外に他の種類を選択する場合、通常は、エチレングリコールの反応性(相溶性)が大きい関係で、化学式2内n値がm値より大きくなりにくいのであるが、本発明では、前記n値が前記m値より大きくなる工程条件を使用して、結果的にn値がm値より大きい長鎖を導入することによって、分子量の大きい高分子をさらに容易に提供することができ、また、熱変色が改善された高分子を得ることができるようになる。したがって、n値は前記m値より大きくてもよく、これと同様に、p値は前記o値より大きくてもよい。
本発明の他の実施形態によるポリエステル重合体は、下記数式2の値が0.5以上の値を満たすものである。
ここで、ΔIVは、常圧、25℃にて、および常圧、35℃にて、それぞれ測定された固有粘度値の差の値であり、b値はLab色差計でのb値であり、Tgはガラス転移温度である。
本発明によるポリエステル重合体の製造方法は、発明の背景をなす技術に開示された反応式1、2をはじめとして、公知の多様な製造方法を使用することができる。必要によっては触媒存在下で反応を行うことができる。
当該触媒は、固相または液相であってもよく、一例として式CaHbOcPdTie(aが30~120の整数、bが50~250の整数、cが5~30の整数、dが0~4の整数、eが1~2の整数である)で表す構造を有する触媒を使用することができるが、これに限定するのではない。
ここで、aは、44~100の整数であってもよい。
また、bは、98~194の整数であってもよい。
また、cは、8~18の整数であってもよい。
また、dは、1~4の整数であってもよい。
また、eは、1~2の整数であってもよい。
また、c/e≧4であってもよい。
また、4≦c/e≦18であってもよい。
一例として、前述のa、b、c、d、e、c/eの条件を満たしつつ-Ti-O-P-結合を有する触媒、-Ti-P-O-結合を有する触媒、および-Ti-O-結合の中から少なくとも一つを有する触媒を使用することができる。
具体化された例として、前述のa、b、c、d、e、c/eの条件を満たしつつ-Ti-O-P-結合を有する触媒、および-Ti-P-O-結合の中から少なくとも一つを有する触媒を使用するのが熱変色と分子量のトレードオフ関係を解消することができてさらに好ましい。
前述のa、b、c、d、e、c/e条件を満たしつつ-Ti-O-P-結合を有する触媒、-Ti-P-O-結合を有する触媒、および-Ti-O-結合を有する触媒としてはアルコキシド系またはキレート系を含むことができるが、これに限定するのではない。
前記触媒は、下記化学式5~化学式7で表す構造を有するものであってもよいが、これに限定するのではない。
前記触媒は、25℃で測定した比重(specific gravity)が0.94~0.99の範囲内であってもよく、前記範囲内にて重合反応に最適化された比重を提供することができて、熱変色と分子量のトレードオフ関係を解消する側面からさらに好ましい。
触媒の使用量は、特に限定するのではないが、一例として500ppm以下、10~500ppm、または10~300ppmの含量範囲で使用できる。
本発明の一実施形態によれば、前記触媒は、前述の反応式1と反応式2の間に含ませることが、反応効率を考慮するときにさらに好ましい。
本発明の実施形態によって得られたポリエステル重合体は、前述の化学式1で表す構造を有する化合物を前記式2の共重合体のAの原料として使用し、aの原料としてエチレングリコールを使用し、bの原料としてヘキサンジオールを使用した場合、固有粘度(IV)が0.75以下、または0.66~0.74でありつつも、色差計で測定したL値が56以下、48.8~55.1であり、a値が0以下、-0.7~-0.1、b値が13.5以下、11.2~13.4を満たして、分子量と色数値(b値)のトレードオフ関係を解消したのを確認することができる。
以下、本発明の実施例を参照して説明するが、下記実施例は、本発明を例示するために限定された反応時間と条件で実施例を行い、本発明の範疇がこれらのみに限定されるのではない。
EG:Ethylene glycol(Sigma aldrich製)
HDO:1,6-Hexanediol(Sigma aldrich製)
Tyzor TBT:Titanium(IV) butoxide(Sigma aldrich製)
HDO:1,6-Hexanediol(Sigma aldrich製)
Tyzor TBT:Titanium(IV) butoxide(Sigma aldrich製)
前記の材料を下記表1の比率で混合した後、Ti系Alkoxide系触媒(Ti金属含量基準10ppm)を投入して、150℃以上230℃以下温度と窒素雰囲気で反応を行って、生成される流出水を時間帯別に測定して、理論流出水に対する、生成された流出水の比率としての転換率、および反応速度を測定した。それ以上流出水が出ないと、反応が完了となりドレイン操作を(Drain)して、B単位試片を得た。
具体的に、下記表1のポリエステル重合体は、下記化学式1で表す繰り返し単位体を含む。
[合成例2]
前記合成例1で使用した材料を下記表2の比率で混合した後、Ti系アルコシド(Alkoxide)系触媒(Ti金属含量基準10ppm)を投入して、150℃以上230℃以下の温度と窒素雰囲気で反応を行って生成される流出水を、時間帯別に測定して理論流出水に対比して生成された流出水を比率で転換率および反応速度を測定した。それ以上流出水が出ないと反応が完了しDrainしてC単位試片を得た。
前記合成例1で使用した材料を下記表2の比率で混合した後、Ti系アルコシド(Alkoxide)系触媒(Ti金属含量基準10ppm)を投入して、150℃以上230℃以下の温度と窒素雰囲気で反応を行って生成される流出水を、時間帯別に測定して理論流出水に対比して生成された流出水を比率で転換率および反応速度を測定した。それ以上流出水が出ないと反応が完了しDrainしてC単位試片を得た。
具体的に、下記表2のポリエステル重合体は、下記化学式2で表す繰り返し単位体を含む。
2.ポリエステル重合体製造
前記の合成例1~合成例2で製造されたそれぞれの前駆体を、全体の含量に対して30%を用いて、実施例1~8のポリエステル重合体を製造したのであり、比較例1~4は、前駆体を入れずに下記表の含量でポリエステル重合体を製造した。
前記の合成例1~合成例2で製造されたそれぞれの前駆体を、全体の含量に対して30%を用いて、実施例1~8のポリエステル重合体を製造したのであり、比較例1~4は、前駆体を入れずに下記表の含量でポリエステル重合体を製造した。
前記合成例1~2によって合成された前駆体(B単位試片またはC単位試片)を、式1の重合体のAの原料として化学式4の化合物または化学式5の化合物を使用し、aの原料としてのEGと、bの原料としてのHDO(1,6-Hexanediol)とを1:1.2~3.6モル比で混合した後、エステル化反応(N2、150~230℃)を行って、Ti系Alkoxide系触媒(Ti金属含量基準10ppm)を投入した後、縮重合反応(真空、220~285℃)させてポリエステル重合体試片を製造した。実施例1~8および比較例1~4で使用された成分表は、下記表3のとおりである。
[物性評価]
前記実施例1~8、比較例1~4を通じて得られたポリエステル重合体それぞれに対して以下の評価を行った。
前記実施例1~8、比較例1~4を通じて得られたポリエステル重合体それぞれに対して以下の評価を行った。
(1)色(L/a/b):Nippon Denshoku(sa-4000)社の製品でChip色差計でL/a/b値を測定した。
(2)固有粘度:試料0.5gと溶媒Phenol:Tetrachloroethane 1:1溶液10mlに溶かしてオスワルド粘度計で25℃と35℃でそれぞれIVを測定した。
(3)ガラス転移温度(Tg):TA Instrument社のDSCを使用してN2、20psi、常温~300℃まで20℃/min条件で測定した。
このような結果を下記表4~5に示した。
ポリエステル重合体物性評価結果
表4は、固有粘度(dl/g、25℃)、色(L/a/b)、ガラス転移温度(Tg)を示す。
表4は、固有粘度(dl/g、25℃)、色(L/a/b)、ガラス転移温度(Tg)を示す。
上記表4の結果から、実施例1~8のポリエステル重合体は、製造例1~8のB試片またはC試片が含まれて、分子量を十分に増やすだけでなく、熱変色が改善されてチップ加工するに非常に適した性質を有するのが分かる。
表5は、25℃と35℃でそれぞれ測定した固有粘度、これらの差値(ΔIV)およびガラス転移温度を示す。また、下記の数式1および数式2によって計算された値を共に示した。
上記表5の結果から、本発明の実施例によるポリエステル重合体は常圧、25℃で測定した固有粘度と、常圧、35℃で測定した固有粘度との差(ΔIV)と、色純度(b値)との間の相関関係計算値(数式1)が、0.5以上であると計算されて、b値に対するΔIV値が、比較例よりも高いのを確認した。通常、縮重合工程を通じて得られるポリエステルの分子量が高いほど、熱変色による色数値(b値)が高まる傾向があるが、実施例の場合、比較例よりΔIVが高いにも拘わらず色数値(b値)が低いのを確認して、トレードオフ関係が解消されるのを確認し、熱変色がないながらも分子量が大きい高分子を得ることができると確認された。
反面、比較例によるポリエステル重合体は、25℃で測定した固有粘度と35℃で測定した固有粘度の差(ΔIV)と、色純度(b値)との間の相関関係計算値(数式1)が0.5未満に計算されて、通常、縮重合工程を通じて得られるポリエステルの分子量が高いほど、色数値(b値)も共に高まる関係を示した。
また、前記表5の結果から、本発明の実施例によるポリエステル重合体は、常圧、25℃で測定した固有粘度と、常圧、35℃で測定した固有粘度の差(ΔIV)と、色純度b値およびガラス転移温度との間の相関関係計算値(数式2)が0.5以上であると計算されて、b値に対するΔIV、Tg値が、比較例より高いのを確認した。これは、通常、縮重合工程を通じて、ポリエステルの分子量(ΔIV)が高いほど熱変色による色数値(b値)が高まる傾向があるが、実施例の場合、比較例よりもΔIVが高いにも拘わらず、色純度(b値)が低いポリエステルを得ることができて、トレードオフ関係が解消されるのを確認した。
反面、比較例によるポリエステル重合体は、25℃で測定した固有粘度と、35℃で測定した固有粘度との差(ΔIV)と、色純度(b値)との間の相関関係計算値(数式1)が0.5未満に計算されて、通常縮重合工程を通じて得られるポリエステルの分子量を上げるほど、色数値(b値)も共に高まる関係を示した。
前述の各実施例で例示した特徴、構造、効果などは、実施例が属する分野の通常の知識を有する者によって、他の実施例に対しても組み合わせまたは変形して実施可能である。したがって、このような組み合わせと変形に関係した内容は、本発明の範囲に含まれると解釈されなければならないはずである。
本発明は、ポリマーが一定水準以上の分子量を有するまでにかかる合成時間を短縮させることによって、ポリマーが高温に露出される時間を最少化する。これによって、本発明は熱変色が最少化されたポリエステル重合体を提供することができる。
Claims (8)
- 前記n値は、前記m値より大きいことを特徴とする、請求項3に記載のポリエステル重合体。
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