JP2675761B2 - 高分子量ポリエステルの製造方法 - Google Patents

高分子量ポリエステルの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、脂肪族系ポリエステ
ル、特に、生分解性高分子材料であるポリエステルの製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】脂肪族系ポリエステルを得るための重合
方法としては大別して開環重合法と重縮合法があり、開
環重合法は、例えば白石、他「バイオプラスチックのす
べて」(工業調査会)p187において開示され、重縮
合法については特開昭59−96123号公報に開示さ
れている。特に、開環重合法は分子量が高い重合体が得
られ、手術用の縫合糸等に使用される。また重縮合法に
は生成する水を、溶剤を使用し共沸により系外に除去す
る方法も知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、開環重合法
は、一旦オリゴマーを合成し、これを分解して環状ジエ
ステルであるラクチド、グリコリドとし、これら環状物
を開環重合する方法であるため工程が多く、コストが高
くなる。従って世界的に現在問題となっている環境保護
のために生分解性でないプラスチックと置き換えて使用
することは困難である。一方、重縮合法は、一般には、
前記白石他の著作に記載のように、実用性のある高分子
量の重合体は得られていない。また、特開昭59−96
123号公報開示の方法は、不活性ガス雰囲気下、22
0から260℃という高温下にて1段階で重合する方法
であり、エネルギー使用節減による環境保全、資源節約
の観点より不利である。しかも重合温度が高いため、不
活性ガスによる十分な置換が必須である。また、分子量
が4000(4k)から20000(20k)程度のも
のしか得られず、プラスチック用としては不十分であ
る。
【0004】一般に知られている、共沸による水の除去
による方法は、収率、重合度の面で十分でなく、溶剤が
残留する可能性もあり、食品用途に適しているといえな
い。そこで、本発明の目的は、重縮合反応を2段に分け
ることにより、開環重合法よりは工程が少なく、溶剤を
使用することもなく、上記従来技術開示の重縮合法より
低温で、開環重合により得られる重合体に匹敵する分子
量の重合体が得られる、省エネルギー型の脂肪族系ポリ
エステルの製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴構成は、脂
肪族系オキシカルボン酸を縮合させてポリエステルを製
造する方法において、前記単量体オキシカルボンを縮合
させてOH基/COOH基の当量比が1である直線状の
オリゴマーを合成する第1段反応と、前記オリゴマーに
触媒を添加し、重縮合し高分子量化する第2段反応含む
バルク重合であることにある。さらに、第1段目の反応
を実質的に無触媒下で行うようにしてもよい。
【0006】
【作用】重縮合は互いに反応する2種の末端基を有する
低分子原料がその反応により低分子化合物、代表的には
水を脱離しながら重合し、次第に分子量を増大させてい
く逐次反応であり、高分子量の重合体を得るためには2
種の末端基の比率を厳密に化学量論的等量にすることが
重要である。ポリエステルの製造において、分子内にヒ
ドロキシル基(OH)とカルボキシル基(COOH)を
それぞれ1個づつ有するヒドロキシカルボン酸はこの観
点より有利であるが、実際乳酸等を重合すると高分子量
のものが得られない。その原因は、副反応により環状オ
リゴマーが生成するためである。ポリエチレンテレフタ
レート等の芳香族ポリエステルの場合は分子鎖の剛直性
のため環状オリゴマーは生成しにくいが、脂肪族系原料
の場合は炭素炭素結合の自由回転により環状オリゴマー
が容易に生成することはよく知られている。特に、飽和
脂肪族系エステルでは、環形成原子数が5から7の場合
は環状構造を取りやすいことが有機化学において周知の
事項である。従って、重合体としたとき、実用的な物理
的強度を示すポリ乳酸のようなヒドロキシル基とカルボ
キシル基の間の炭素数が少ないものほど、通常の重縮合
反応同様に、触媒を添加して重合すれば初期の2量体の
段階で環状構造を取りやすい。
【0007】Jacobson,et alの研究によれば、脂肪族系
ヒドロキシカルボン酸及び脂肪族系ジカルボン酸/脂肪
族系ジオールを使用した平衡系重縮合反応における環状
オリゴマーの生成量は、末端基間平均自乗距離からガウ
ス鎖を仮定することにより求められる線状オリゴマーの
末端近接確率より予測できるとされている。 (Jacobson,et al., J.Chem.Phys.18(12),1600(1950)
及びJacobson,et al., J.Chem.Phys.18(12),1607(195
0)) この理論によると、末端近接確率は温度依存性である。
しかし、触媒には依存しないはずであり、したがって、
実験は一定の触媒を加えた反応系で行われている。
【0008】発明者は、種々実験の結果、触媒の有無と
種類が、副生成物であって重縮合において高分子量化を
阻害し物性の向上を妨げる環状オリゴマーの生成量に大
きな影響を与えること、即ち、一定の条件下では、重縮
合において環状オリゴマーがほとんど存在しない線状オ
リゴマーが得られ、その後触媒を加えてさらに重縮合す
れば高分子量重合体が得られることを見いだし、本発明
を完成するに至った。
【0009】本発明の最大の特徴は、OH基/COOH
基の当量比が1である直鎖状オリゴマーを生成する第1
段反応と、当該オリゴマーに触媒を加えてさらに縮合反
応を行う第2段反応の、2段階の反応により高分子量脂
肪族系ポリエステル重合体を得ることにある。さらに、
第1段目の反応を実質的に無触媒下で行うことにもあ
る。
【0010】本発明にて用いられる出発物質としては、
オキシカルボン酸として乳酸、グリコール酸等が使用で
き、ジカルボン酸/ジオールの組み合わせのうち、ジカ
ルボン酸としてはマロン酸、グルタル酸、アジピン酸等
が、またジオールとしてはエチレングリコール、プロピ
レングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチ
ルグリコール等が使用でき、オキシカルボン酸/ジカル
ボン酸/ジオールの組み合わせとしては前記化合物を適
宜組み合わせて使用できる。
【0011】本発明により得られる重合体は、塗料とし
ても利用できる。特に澱粉を主成分としたプラスチック
容器は水により膨潤する性質が強いため、食品容器とす
るためには、やはり生分解性を有する塗装が要求され
(前記「バイオプラスチックのすべて」p58)、本発
明による重合体は適切な材料と言える。このような塗料
として利用するためには比較的分子量が低く、多官能性
の重合体が要求され、かかる官能基を付与するためには
多官能性の単量体を併用することが必要であり、このよ
うな単量体としてはヒドロキシル基ないしカルボキシル
基を1個以上有する化合物が必要であり、例えば1,1
−ジメチロールプロピオン酸、グルコン酸等ポリヒドロ
キシモノカルボン酸、リンゴ酸等のモノヒドロキシポリ
カルボン酸、酒石酸等のポリヒドロキシポリカルボン酸
を共重合することによりその目的が達成できる。
【0012】原料である単量体は、天然物であっても合
成物であってもよいが、乳酸、グリコール酸、リンゴ酸
等の天然物を使用することは石油等の化石資源を有効利
用する観点よりも好ましい。
【0013】また、最終的に得られる重合体の特性、例
えばモジュラス、硬度等を調節するために、長鎖の原料
を併用することも可能である。オキシ酸の例としては、
ε−ヒドロキシカプロン酸、12−ヒドロキシステアリ
ン酸等、ジカルボン酸の例としては、1,10−デカン
ジカルボン酸等、グリコールの例としては1,6−ヘキ
サンジオール等が挙げられる。また硬度を上げるために
少量の芳香族化合物を併用することも可能である。
【0014】第2段反応において使用する触媒として
は、パラトルエンスルホン酸、硫酸等の酸類、亜鉛、カ
ドミウム、鉛、コバルト、バリウム、マグネシウム等の
金属の塩類、等一般のエステル化反応に使用される触媒
はすべて使用できる。これら触媒の使用量は生成する樹
脂に対して重量にて1〜50000ppm、好ましく
は、100〜10000ppmである。これら2段階の
反応は、一つの反応容器内にて行うこともできるし、別
々の反応容器にて行うこともできる。また、各段の反応
をいくつかの反応容器に分割して行うこともできる。例
えば加熱による温度が異なった反応容器を準備し、次々
と反応させつつ移動させていく方法が可能である。この
場合は、第2段反応は触媒を徐々に増加させて反応を進
めるという方法も採ることが可能である。
【0015】本発明によれば、第1段目の反応を、実質
的に無触媒若しくはエステル化反応において通常使用さ
れるより少ない触媒使用量において反応を行うことによ
り、、環状化するとすれば環を構成する原子の数が、α
−オキシ酸(乳酸、グリコール酸等)の場合でも9個と
なり環状オリゴマーの生成が極めて少なくなり、直鎖状
のオリゴマーが生成する。かかる直鎖状オリゴマーをさ
らに縮合させれば、もはや環状オリゴマーは生成しな
い。また第2段目の反応を、触媒を使用して行うことに
より200℃以下の比較的低い温度で重縮合が行え、高
分子量のポリエステルを得ることができる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、一旦ラクチドやグリコ
リド等の環状体を単離することなく、また酸化防止のた
め重合雰囲気を不活性気体として220〜260℃のよ
うな高温にすることなく、包装容器、繊維、等の一般用
途に低コストにて提供できることとなる。さらにポリエ
ステル合成一般に採用される、生成する水を反応系外に
除去するため水と共沸する特性を有する有機溶剤を使用
する必要もない。
【0017】最終的に得られる重合体の分子量を高くす
るには、第1段反応においてオリゴマーの重合度を高く
すればよい。例えば第1段目の反応で得られる重合体の
分子量を4万にすれば、僅かの反応で最終的に得られる
重合体の分子量は10万以上となり、物理的特性は飛躍
的に向上する。また、重合温度が比較的低いため、不活
性ガスによる置換が十分でなくても酸化劣化が小さいた
め重合度を高くすることが可能である。
【0018】
〔実施例1〕
(第1段反応)温度計、減圧口、窒素ガスキャピラリ
ー、減圧用シール付攪拌棒を付けた1000ml容量の4
つ口フラスコに90% L-乳酸(10%は水)を500
g入れ、アスピレータにて減圧しつつ室温から120℃
まで加熱し、水分を除去した。この段階で、既に数量体
の直線状オリゴマーが生成していることが確認できた。
次いで、真空ポンプで減圧しつつ120℃から180℃
まで6時間かけて昇温し、さらに、180〜200℃、
4torrの条件下にて4時間重縮合を行った。こうし
て得られたものは、GPCと末端基定量法測定により、
分子量数百〜数千の直線状オリゴマーを主成分とし、環
状体は殆ど認められなかった。 (第2段反応)前記生成物に、パラトルエンスルホン酸
を1重量%添加し、150〜180℃にて6〜8時間、
減圧下で重縮合を行った。得られた重合体は、分子量が
10k〜30kで、収率は90%という高収率であっ
た。
【0019】〔実施例2〕 (第1段反応)実施例1と同様に 温度計、減圧口、窒
素ガスキャピラリー、減圧用シール付攪拌棒を付けた1
000ml容量の4つ口フラスコに90% L-乳酸(10
%は水)を500g入れ、アスピレータにて減圧しつつ
室温から120℃まで加熱し、水分を除去した。次い
で、真空ポンプで減圧しつつ120℃から180℃まで
6時間かけて昇温し、さらに、180〜250℃、0.
1〜0.01torr以下の条件下にて4時間重縮合を
行った。こうして得られたものは、GPCと末端基定量
法測定により、分子量10k〜20kの直線状オリゴマ
ーを主成分とし、環状体は殆ど認められなかった。 (第2段反応)前記生成物に、パラトルエンスルホン酸
を1重量%添加し、150〜180℃にて6〜8時間、
減圧下で重縮合を行った。得られた重合体は、分子量が
50k〜100kで、90%以上という高収率であっ
た。
【0020】〔比較例〕実施例1と同じ反応を、第1段
反応の初期の段階からパラトルエンスルホン酸を1重量
%添加し、行った。得られた重合体は、分子量が40万
近いポリマーを0.1%、数万の重合体を約1%含む
が、環状オリゴマーを多く含み、また分子量が180〜
2000の低分子量成分が90%近く有り、分子量分布
が広く、高分子量ポリマーの収率は低かった。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】脂肪族系のオキシカルボン酸を縮合させて
    ポリエステルを製造する方法において、前記オキシカル
    ボン酸を単量体として縮合させてOH基/COOH基の
    当量比が1である直線状のオリゴマーを合成する第1段
    反応と、前記オリゴマーに触媒を添加し、重縮合し高分
    子量化する第2段反応を含むバルク重合による高分子量
    ポリエステルの製造方法。
  2. 【請求項2】前記オキシカルボン酸が乳酸、グリコール
    酸またはこれらの混合物である請求項1に記載の高分子
    量ポリエステルの製造方法。
  3. 【請求項3】前記第1段反応がオキシカルボン酸を、実
    質的に触媒を使用せず縮合させて直線状のオリゴマーを
    合成することを特徴とする請求項1又は2に記載の高分
    子量ポリエステルの製造方法。
  4. 【請求項4】前記オリゴマーを構成する単量体単位の数
    が少なくとも3である請求項1に記載の高分子量ポリエ
    ステルの製造方法。
  5. 【請求項5】多官能の単量体成分を加えた請求項1に
    載の高分子量ポリエステルの製造方法。
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