JP2978545B2 - ポリエチレンナフタレートの結晶化法 - Google Patents
ポリエチレンナフタレートの結晶化法Info
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Description
リエステルから固相重合により製造される。この種の固
相重合に用いられる低分子量ポリエステルは一般に通常
の溶融重合により製造される。固相重合は、重合期中に
高分子量の超高粘度溶融ポリマーを扱うことが避けられ
るという点で有利であると一般に考えられている。重合
の固相部分では熱分解も本質的に避けられる。
マーは一般にペレットまたはチップ状である。これらの
ペレットの大きさは大幅に変動しうるが;一般にポリエ
ステルプレポリマーのペレットの大きさが小さいほど、
固相重合はより速やかに進行する。米国特許第4,755,58
7号明細書(ラインハルト)に記載された多孔質ピル状
のポリエステルプレポリマーを用いることにより、きわ
めて高速の固相重合が達成される。
レンナフタレート(PEN)を含めて、溶融相重合により
製造される大部分の熱可塑性ポリエステルはほぼ完全に
非晶質である。溶融重合により製造されるこれらの非晶
質ポリエステルプレポリマーは普通はそれらの粘着温度
を高めるために固相重合前に非晶質状態から結晶質状態
に変換される。これは、固相重合されるポリエステルプ
レポリマーのペレットまたはチップが固体塊として互い
に粘着しないようにするために行われる。
度(Tg)に加熱すると、それは結晶化する前に粘着性と
なるであろう。非晶質ポリエステルの粘着温度は通常は
そのTgより約20℃高い。ポリエステルの結晶化速度は、
その温度がその粘着温度よりさらに約30℃高い温度に高
められるまでは、実用的となるのに十分なほど速やかで
はない。最大結晶化速度を達成するためには、ポリエス
テルの温度をよりいっそう高めなければならない。たと
えばPETは74℃のTgおよび約95℃の粘着温度を有する。P
ETの結晶化速度は温度が125℃を越えるまではかなり低
く、実際にはPETは通常150〜190℃の温度で結晶化され
る。
包装用として将来性をもつ。PENは約118℃のTgおよび26
8℃の融点(Tm)をもつ。これは180〜220℃に結晶化ピ
ークを示す。その粘着温度は非晶質状態の場合には約14
0℃である。通常の知見によれば、PENに関する最良の結
晶化温度範囲は180〜220℃であろう。
ばならない。これはポリエステルの温度が粘着温度を越
えた時点と、ポリエステルが十分に結晶化した時点との
間の期間に起こる。従ってポリエステルの連続結晶化の
ための商業的規模の晶析装置は、ポリエステルペレット
の凝集(agglomeration,lumping)を防止するために、
激しい撹拌を備えていなければならない。2種の連続晶
析装置、すなわち撹拌式容器および流動層が広く用いら
れている。
おいては、ポリエステルペレットは周囲温度で、前処理
なしに直接に晶析装置に装填され、そこでは伝熱媒質
(たとえば熱風、高温の窒素、または熱油)が適切な結
晶化温度を維持する。適宜な操作条件下では、ポリエス
テルペレットは凝集することなく結晶化しうる。
晶化条件下に置かれた場合、ペレットは結晶化温度付近
に加熱されるのに伴って急激かつ急速に膨張する。この
膨張したペレットの表皮はきわめて粘着性であり、激し
い撹拌にもかかわらず数秒以内にペレットは密に凝集し
て大塊となる。これは通常の結晶化法が商業的なPEN結
晶化に好適ではないことを示す。
調べるために、試料ペレットをDTAで走査した。そのDTA
サーモグラムは結晶化発熱の開始点付近で吸熱を示し
た。この吸熱は、PENがその結晶化温度付近で軟化する
のに伴って、ペレット内に捕捉されていた揮発分−ガス
を含む−が急激に気化および/または放出されることに
より生じると思われる。この現象はPENペレットが180〜
220℃の標準的な結晶化温度下に置かれた際の急激な膨
張を説明する。
溶融PENが分解すると、水、エチレングリコール、アセ
トアルデヒドなどが発生する可能性がある。PENの溶融
粘度はきわめて高いので、これらの副生物はペレット化
中に除去することが困難である。さらにPENはしばしば
窒素圧下でペレット化される。この場合、窒素がペレッ
ト内に捕捉される可能性もある。PETはその溶融状態で
はPENよりはるかに安定であり、またその溶融粘度はは
るかに低い。PET中に生成する副生物の量はより少な
く、ペレット化中に、より容易に除去される。従って結
晶化に際して凝集および粘着の問題を生じる揮発分がPE
T内に捕捉される量はごくわずかである。
着という問題は意外にも、ペレット内に捕捉されている
揮発分を結晶化工程前にペレットの粘着温度未満の温度
で徐々に除去することにより防止しうることが見出され
た。本発明はPENペレットの連続結晶化のための効果的
かつ安定な方法を開示する。本方法は結晶化工程前に脱
蔵(devolatilization)工程を採用する。
リエチレンナフタレートプレポリマーの結晶化法を開示
する:(1)非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーを約80〜約140℃の温度に不活性ガス流の存在下ま
たは真空下で加熱して非晶質ポリエチレンナフタレート
プレポリマーを脱蔵し、そして(2)次いで脱蔵ポリエ
チレンナフタレートプレポリマーを約150〜約260℃の温
度に撹拌しながら加熱して結晶化ポリエチレンナフタレ
ートプレポリマーを生成させる。
相重合して高分子量ポリエチレンナフタレート樹脂とな
すための、下記の工程からなる方法を開示する:(1)
ポリエチレンナフタレートプレポリマーを約80〜約140
℃の温度で不活性ガス気流の存在下または真空下に脱蔵
し;(2)脱蔵ポリエチレンナフタレートプレポリマー
を約150〜約260℃の温度に撹拌しながら加熱することに
より結晶化し;そして(3)次いで結晶化ポリエチレン
ナフタレートプレポリマーをその粘着温度より約50〜約
1℃低い温度に、高分子ポリエチレンナフタレート樹脂
の製造に十分な期間加熱する。
(PEN)プレポリマーは一般に標準的な溶融重合法によ
り製造される。この種の溶融重合によれば、本質的に非
晶質のPENが生成する。これはPENが結晶質の存在するわ
ずかな領域を含んでいたとしても実質的に全体として非
晶質であることを意味する。一般にPENはエチレングリ
コールとナフタリンジカルボン酸モノマー、たとえば2,
6−ナフタリンジカルボン酸を溶融重合することにより
製造される。しかしエチレングリコールとナフタリンジ
カルボン酸のジエステルを重合させることによりPENプ
レポリマーを製造することもできる。少量の他のジオー
ルおよびジ酸を用いてPENを改質することも考慮され
る。
に、60:40フェノール:テトラクロロエタン溶剤系中で3
0℃の温度および0.4g/dlの濃度において測定して少なく
とも約0.2dl/gの初期出発固有粘度(IV)をもつ。非晶
質PENプレポリマーは好ましくは約0.3〜約0.7dl/gの初
期または出発IVをもつであろう。非晶質PENプレポリマ
ーは、より好ましくは約0.4〜約0.5dl/gの初期IVをもつ
であろう。
マーを約80〜約140℃の温度に、不活性ガス流の存在下
または真空下で加熱して、非晶質PENを脱蔵する。この
脱蔵処理は好ましくは約115〜約137℃の温度で行われ
る。脱蔵は120〜135℃の温度で行われることがより好ま
しい。
ーと反応しないいかなるガスであってもよい。PENプレ
ポリマーは脱蔵温度において比較的安定であるので、不
活性ガスとして空気を用いることもできる。もちろん窒
素、または貴ガス、たとえばヘリウムまたはネオンを脱
蔵処理に用いることもできる。脱蔵工程を真空下で実施
することもできるが、普通は不活性ガス流の存在下で脱
蔵を行うことが好ましい。不活性ガスを脱蔵温度に予熱
して、伝熱を改良することができるからである。脱蔵工
程は大部分の揮発性物質、たとえば水、エチレングリコ
ール、アセトアルデヒドなどをPENプレから除去するの
に十分な期間行われる。もちろん実質的にずべての揮発
性化合物を非晶質PENプレポリマーから除去することが
望ましい。
温度で行われるので、脱蔵工程で撹拌を行う必要はな
い。従って、ホッパー型脱蔵装置を使用し、その際非晶
質PENプレポリマーペレットまたはチップはホッパーの
頂部に連続的に装填され、不活性ガスの流れと向流で、
比重によりホッパー内を移動しうる。次いでホッパー型
脱蔵装置の底から排出される脱蔵ペレットを晶析装置に
連続的に供給することができる。
約260℃の温度に加熱する。普通は結晶化工程を約180〜
約220℃の温度で行うことが好ましい。一般には、結晶
化温度は190〜200℃であることがより好ましい。PENプ
レポリマーを粘着防止のために撹拌しながら結晶化工程
を行うことが重要である。必要な程度の撹拌は、流動層
を備えた晶析装置により得られる。この種の流動層型晶
析装置においては、プレポリマーチップまたはペレット
を流動状態に保つのに十分な速度の不活性ガスが一般に
晶析装置に貫流される。もちろん、PENプレポリマーペ
レットまたはチップの粘着または凝集を防止するのに十
分な撹拌を行う撹拌器中で結晶化工程を実施することも
できる。
度に依存するであろう。温度が高いほど、必要な程度の
脱蔵および結晶化を達成するのに要求される期間は当然
短縮される。たとえば115℃の温度では脱蔵に要する期
間は約4時間である。130℃の温度では脱蔵に約2時間
を要するにすぎない。脱蔵および結晶化に要する最適期
間は、用いる装置、ならびにペレットまたはチップの大
きさおよび形状にもある程度依存するであろう。連続法
における脱蔵に必要な期間は一般に15分ないし10時間の
範囲であり、より一般的には30分ないし4時間の範囲で
あろう。結晶化に必要な期間は約1分ないし約4時間の
範囲であろう。連続法においては、結晶化工程は普通は
約2〜約30分を要するであろう。これらの脱蔵および結
晶化工程は、もちろんバッチ式または連続式いずれの操
作として行うこともできる。
法または連続法で固相重合させることができる。適切な
固相重合温度は重合反応の閾値温度よりわずかに高い温
度から、PENプレポリマーの粘着温度より数度低く、そ
の融点より十分低い温度までの範囲にある。
マーの粘着温度より約1〜約50℃低い。最適な固相反応
温度は分子量の異なるポリマーについては若干異なるで
あろう。一般にPENプレポリマーに最適な固相重合温度
は、その粘着温度より約5〜約20℃低いであろう。たと
えば結晶質PENの固相重合において用いられる温度は普
通は約210〜約265℃である。一般に結晶質PENプレポリ
マーは約230〜約265℃の温度で固相重合されるであろ
う。大部分の場合、PENプレポリマーは240〜260℃の温
度で固相重合されるであろう。
その粘着温度は上昇する可能性がある。従って重合の経
過に伴って固相重合温度を徐々に高めることができる。
たとえば米国特許第3,718,621号明細書にこのようなPET
プレポリマーの固相重合法が記載されている。
行われる。普通はこの種の固相重合は不活性ガス流の存
在下で行われる。重合されるポリエステルプレポリマー
が充填された固相重合帯域に不活性ガスを均一に貫流さ
せることがきわめて望ましい。不活性ガスが固相重合帯
域の特定の領域にバイパスを形成することなく確実に均
質かつ均一に貫流するのを助成するために、不活性ガス
を分散させる装置が一般に用いられる。従って好適なな
重合反応器は、内包されるポリエステルプレポリマーを
不活性ガスが均一に貫流すべく設計されているであろ
う。不活性ガスは実際には固相重合帯域を貫流するのに
伴ってポリエステルプレポリマーのペレットまたはチッ
プの周りを流れる点を留意すべきである。
には窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、
クリプトン、ゼオン、および特定の産業廃ガスが包含さ
れる。異なる不活性ガスの各種の組合わせまたは混合物
も使用しうる。大部分の場合、窒素が不活性ガスとして
用いられるであろう。連続法においては、PENプレポリ
マー対窒素ガスの流量比は約1:0.25〜約1:1であろう。
ed)、流量層または移動層のいずれを備えていてもよ
い。大部分の場合、PENプレポリマーが目的の滞留時間
で反応器を貫流する、円筒形の重合反応器を用いること
が好ましい。この種の円筒形反応器は実質的に均一な断
面、およびPENプレポリマーが重力によって反応器の頂
部から底部へ目的の滞留時間で流動するのに十分な高さ
をもつ。すなわちPENプレポリマーはこの種の円筒形重
合反応器の頂部から底部へ、一部せき止められた状態で
移動する。この種の反応器の貫流速度は、反応器底部に
おける排出を調節することにより制御しうる。一般に、
不活性ガスは反応器を、PENプレポリマーのペレットま
たはチップが流動しないように(互いに常に接触した状
態を維持する)、乱流点より十分低い速度において向流
で(上向きに)貫流することが好ましい。PENプレポリ
マーのペレットまたはチップは、固相重合処理期間中実
質的に同一の物理的形状を保つ。
分子量PEN樹脂のものに高めるのに十分な期間、固相重
合される。少なくとも0.5dl/gのIVをもつ高分子量PEN樹
脂を製造することが望ましい。大部分の場合高分子量樹
脂は少なくとも約0.65dl/gのIVをもち、ある種の用途に
ついては好ましくは少なくとも約0.85dl/gのIVをもつで
あろう。必要な重合時間は普通は約1〜約36時間であ
り、大部分の場合6〜24時間であろう。
説明のためのものであって、本発明の範囲またはその実
施状態を限定するものとみなすべきでない。特に指示し
ない限り、部および%はすべて重量により示される。
100個のPENペレットを溶融相重合法により製造した。こ
れらPENペレットの試料を用いて結晶化試験を行った。
試験に用いた晶析装置は内径2.54cm(1インチ)および
長さ50.8cm(20インチ)のガラスカラム製撹拌式流動層
であった。凝集を破壊する補助として直径約6.67cm(1/
8インチ)の金属棒を撹拌機として用いた。操作中は、
温度を200℃に制御した透明な熱油浴に流動層を浸漬
し、200℃に予熱された熱風を層の底から約2124/時
(75ft3/時、CFH)の流量で導通して層中のPENペレット
を流動させた。
れは商業的規模の連続晶析装置においてポリエステルペ
レットを結晶化する際の難易度が客観的に見えることが
分かった。
内でペレットは突然膨張し、凝集して、撹拌機で破壊し
得ない堅固な塊となった。ペレットは膨張した表皮が結
晶化中に破壊するのに伴ってある程度収縮したが、これ
らは結晶化後もなおかなり膨張しており、開放ボイドに
よって著しく変形していた。
蔵装置を設計し、PENペレットの結晶化に対する脱蔵処
理の効果を調べた。脱蔵装置は内径2.54cm(1インチ)
および長さ50.8cm(20インチ)のガラスカラム製であっ
た。操作に際しては、脱蔵装置をサーモスタット付き熱
油浴に浸漬し、高温の油の温度に予熱された熱風を約34
0/時(12CFH)で底から導通した。
0℃に制御した。5gのPENペレットを脱蔵装置に装填し
た。1時間後に、これらのPENペレットを、温度が200℃
に制御された流動層晶析装置に移した。ペレットはやは
り晶析装置中で膨張して破壊し、急速に凝集した。ただ
し生じた塊は未処理ペレットにより形成されたものほど
密ではなかった。
で同一温度において2時間処理したのち、晶析装置に移
した。今回もペレットはやはり膨張したが、破裂するほ
どではなかった。生じた塊は破壊してビーズ様粒子にす
ることができた。
た。晶析装置内でペレットは膨張してある程度変形し、
やはり高い粘度傾向を示したが、結晶化中に生じた塊は
撹拌機によってばらばらに破壊することができた。得ら
れた結晶化ペレットはわずかに膨張および変形してい
た。
た。この前処理によって、ペレットは晶析装置中で膨張
または変形しなかった。結晶化中にごく緩和な粘着傾向
が示されたにすぎず、凝集は撹拌によって容易に防止さ
れた。2分以内にペレットは十分に結晶化し、良好に流
動した。5分後に結晶化ペレットを晶析装置から取出
し、室温にまで冷却した。この結晶化PENの密度は1.351
g/ccであると測定された。
蔵温度が最も安定な結晶化操作に必要な脱蔵時間に及ぼ
す影響を判定するために、脱蔵条件を変化させた。
時間はそれぞれ4および2時間に短縮された。
DTAで走査した。予備処理したPENペレットは未処理PEN
ペレットが実際に結晶化発熱開始点付近で示したような
吸熱を示さなかった。これはペレット内に捕捉された揮
発分が脱蔵中に除去されていたことを示す。
程法がPENペレットの結晶化に不適当であることを示
す。例2はPENペレットに結晶化工程前に脱蔵工程を施
すことによりPENペレットの凝集の問題を防止しうるこ
とを示す。例3は必要な脱蔵時間が脱蔵温度の上昇と共
に短縮されることを示す。必要な脱蔵条件を非晶質PEN
の製法およびペレット化法に応じて変動する可能性があ
ることを留意すべきである。
程度を測定した。例1で用いたものと同一のPENペレッ
トをまず130℃で2時間脱蔵し、次いで晶析装置に移し
て種々の温度で種々の期間結晶化させた。結晶化したPE
N試料の密度を測定した。
る。
未満の温度では緩徐に結晶化することが認められた。PE
Nの結晶化速度および程度は結晶化温度および時間の増
大と共に増大することも認められた。
は1または2以上の脱蔵工程と1結晶化工程からなる。
ジ容器である。脱蔵装置の最高操作温度はポリエステル
の粘着温度より低く保たれ、従って脱蔵操作には激しい
撹拌が不要である。この脱蔵容器はその形状に応じて撹
拌下に、または撹拌せずに操作することができる。最も
簡単な脱蔵装置は撹拌機を備えた、または備えていない
ホッパー型容器である。撹拌式水平容器も使用しうる。
この場合、ポリマーを移送するため、および熱伝達を改
善するために緩和な撹拌が必要となるにすぎない。パー
ジ用ガスは窒素または空気−乾燥したもの、または乾燥
しないもの−であってもよい。
られるものと同様である。これは連続流動層、または激
しい撹拌を施す水平容器であってもよい。熱油および/
または熱ガスが伝熱媒質として用いられる。流動層を用
いる場合、乾燥したまたは乾燥していない窒素または空
気を流動化用および伝熱用媒質として用いることができ
る。
置に連続的に装入する。熱風流を脱蔵装置の底から130
℃において導通する。PENペレットは比重によって、ペ
レットを加熱および脱蔵する熱風に対して向流で、脱蔵
装置を下降する。脱蔵装置の底から排出される脱蔵ペレ
ットは振動式流動層晶析装置に進入する。熱風流が晶析
装置の底から導入され、それらが層内を移動するのに伴
ってペレットを流動化および加熱する。ペレットは晶析
装置中で結晶化温度に加熱され、速やかに結晶化する。
晶析装置から排出されるペレットは後続処理工程、たと
えば乾燥、固相重合、押出しおよび射出成形などに十分
な結晶化度を生じているであろう。晶析装置から排出さ
れる熱風の分流を、周囲温度との混合によりポリマー粘
着温度未満に冷却したのち脱蔵装置の加熱に用いること
ができる。残りの排出熱風は再循環される。
晶析法によって支障なく結晶化することができるが、提
案されたこの多段式結晶化法を用いてプロセスの効率お
よび安定性を改良することも有利である。
結晶化法を用いると、PENペレットは膨張および凝集を
生じやすく、その結果プロセスが混乱する。本発明はこ
の種の問題を取り除く。
粘着温度付近に予熱されているので、それらは晶析装置
中ではるかに速やかに結晶化温度に加熱され、結晶化す
る。これによってポリマーの粘着性段階が短縮され、よ
り均一なペレット温度および結晶化度が得られ、従って
より安定かつ効果的なプロセスが得られる。
でを供給しうるので、膨張性晶析装置の大きさを50%ま
で縮小することができ、結果的に著しい資本節約が得ら
れる。さらに、晶析装置から排出される熱風の一部を脱
蔵装置の加熱に用いることにより、操作経費を削減する
ことができる。
ができる。従って個々の実施態様において、特許請求の
範囲に定める本発明の意図する範囲全体に包含される変
更をなしうると解すべきである。
Claims (9)
- 【請求項1】非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーの結晶化法において:(1)非晶質ポリエチレンナ
フタレートプレポリマーを80〜140℃の温度に不活性ガ
ス流若しくは空気の存在下または真空下で、非晶質ポリ
エチレンナフタレートプレポリマーの脱蔵に十分な期間
加熱し;そして(2)次いで脱蔵ポリエチレンナフタレ
ートプレポリマーを150〜260℃の温度に攪拌しながら加
熱して結晶化ポリエチレンナフタレートプレポリマーを
生成させることよりなる方法。 - 【請求項2】ポリエチレンナフタレートプレポリマーを
固相重合して高分子量ポリエチレンナフタレート樹脂と
なす方法において:(1)ポリエチレンナフタレートプ
レポリマーを80〜140℃の温度で不活性ガス流若しくは
空気の存在下または真空下に脱蔵し;(2)脱蔵ポリエ
チレンナフタレートプレポリマーを150〜260℃の温度に
攪拌しながら加熱することにより結晶化させ;そして
(3)次いで結晶化ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーをその粘着温度より50〜1℃低い温度に、高分子量
ポリエチレンナフタレート樹脂の製造に十分な期間加熱
することよりなる方法。 - 【請求項3】非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーがポリエチレンナフタレートホモポリマーである、
請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーが115〜137℃の温度に加熱され、かつ脱蔵ポリエチ
レンナフタレートプレポリマーが180〜220℃の温度で加
熱される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーが120〜135℃の温度に加熱され、かつ脱蔵ポリエチ
レンナフタレートプレポリマーが190〜200℃の温度で加
熱される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】脱蔵が120〜135℃の温度で行われ、かつ結
晶化工程が190〜200℃の温度で行われる、請求項2に記
載の方法。 - 【請求項7】非晶質ポリエチレンナフタレートプレポリ
マーが空気の存在下で加熱される、請求項1に記載の方
法。 - 【請求項8】脱蔵が非晶質ポリエチレンナフタレートプ
レポリマーを流動層において加熱することにより行われ
る、請求項1に記載の方法。 - 【請求項9】固相重合が円筒形重合反応器中で、240〜2
60℃の温度において行われ;多孔質ピルが反応器の頂部
から底部へ重力によって、一部せき止められた状態で移
動し;かつ不活性ガスが向流で反応器を貫流する、請求
項2に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US408354 | 1989-09-18 | ||
US07/408,354 US4963644A (en) | 1989-09-18 | 1989-09-18 | Process for crystallization of polyethylene naphthalate |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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