JP3782905B2 - 粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの精製方法および精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの新規なる精製方法に関する。ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、繊維、フィルム、樹脂など各種成形品分野で極めて有用なポリエステルであるポリエチレンテレフタレートの原料などとして、工業的に広く用いられているものである。
【0002】
【従来の技術】
ポリエステル、ことにポリエチレンテレフタレートを主たる構成成分とするポリエステルは、上述のごとく、各種用途に広く用いられている。その製造方法としては、テレフタル酸とエチレングリコールとの直接エステル化によるか、テレフタル酸の低級アルキルエステル、ことにジメチルテレフタレートとエチレングリコールとのエステル交換反応を経由して、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む中間体を経たのち、通常はそれをそのまま高温、高真空下に縮合重合を行わせる工程に供する方法が、現在、主として実用的に実施されている。ポリエステルの用途は、その優れた性能に基づき、近年、ますます多岐にわたり、従って、その高品質化への要求性能も多様化かつ高度化しつつある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ポリエチレンテレフタレートは、基本的に前述のごとく高温、高真空下に重合触媒として各種金属化合物を存在させ、長時間溶融状態に保たれることにより高重合度化されることが通常必須であり、各種要求品質を網羅的に満たすことは容易ではない。かかるポリエステルを高度化させる手段として、従来、ポリエステル中に新規な共重合成分を加えたり、重合触媒を改良したり、各種添加物を加えるなどの方法が提案されてきたが、抜本的なものとはなり得ていない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ポリエステルの高品質化には、まずポリエステル原料の高品質化が基本であり、それによって本質的に高品質化されたポリエステルを得ることが可能となるのであって、前述した各種高度化手段は必要に応じて併用する補助的なものと位置付けるべきであるとの信念のもとに種々検討を重ねた。ポリエステルの原料として、テレフタル酸、あるいは、その低級アルキルエステルであるジメチルテレフタレートの精製については、従来から各種の提案がなされているが、より最終ポリマーに近い側にあるビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートについては、高品質化を達成する実用的手段が解明されておらず、それが達成されれば、それは本質的に高品質化されたポリエステルを得るための極めて有用な手段となると考え、鋭意研究を重ねた結果、ついに本発明を完成するに到った。
【0005】
すなわち、本発明によれば、 ポリエチレンテレフタレートのエチレングリコール解重合により得られ、(i)Na、Mg、Ca、Fe、Co、Zn、Ti、Sn、Sb、GeおよびPよりなるカチオン並びに(ii)ハロゲン、NO2、NO3、PO4およびSO4よりなるアニオンの合計含有量が50ppm以下である粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを減圧下蒸発または蒸留することを特徴とする、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの精製方法が提供される。
従来、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、蒸発または蒸留によらず、再結晶操作により高品質化する提案が種々なされている。しかし、このような手法によっては、外見上あたかも高品質化したかのように見えるものの、実際には、なお不純物が残存し、それが高品質化されたポリエステルを得るうえでの障害となる場合が多かった。ことに、ポリエステルを回収し、エチレングリコールによってビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートに解重合して再度ポリエステルを得ようとする場合にあっては、その弊害が顕著に認められやすかった。一方、蒸発または蒸留精製により精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを得ようとする提案もなされているが、その場合にあっては、通常、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、蒸発または蒸留操作にかけられた場合、障害となる縮合反応が顕著に起こり、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート溜分を実用的に得ることが困難であった。
【0006】
本発明者の検討結果によれば、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの蒸発または蒸留におけるかかる弊害は、その蒸発または蒸留操作に到るまでにおいて、脱カチオンおよび/または脱アニオン処理し、さらに、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの沸点より低い沸点の物質を実質的に除去し、しかるのち、130〜250℃というビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートが品質劣化を起こしにくい温度領域において減圧下蒸発または蒸留することによって、実質的に抑止することが可能となり、高品質化されたポリエステルを得るに好適な精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを得ることができることを見出したのである。
【0007】
かかる特殊な状態の粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートから精製されたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート溜分を実用的に得るには、減圧下に蒸発または蒸留を実施することが必須であり、また、それを実用的に実施するには、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの蒸発または蒸留を蒸発または蒸留温度・圧力下における沸点蒸発または蒸留すなわち平衡蒸発または蒸留ではなく、一度蒸発したビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの分子が実質的に再び蒸発面へ戻ることなく、蒸発面から凝縮面への分子の一方的移動が起こる非平衡蒸発または蒸留を行うことが必要となり、それに適した特殊な蒸発または蒸留手段が必要である。かかる蒸発または蒸留操作は、一般に分子蒸留という名称で呼ばれることがある。
さらに、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを実用的に分子蒸留するためには、分子蒸留にかける前の粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物が実質的に脱カチオンおよび/または脱アニオンされ、特定のカチオンおよびアニオンの合計含有量が一定量以下であることが必要である。
【0008】
本発明者は、かかる特殊な環境下での蒸発または蒸留操作を実施するにあたって、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートからの精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの収率を実用的に一層有利なレベルに得ようとすれば、蒸発または蒸留にかける粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物が、実質的に脱カチオンおよび/または脱アニオンされたものであり、かつ、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの沸点より低い沸点の物質が十分に除去されていることが必要であることを見出したのである。そのためには、該粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物としては、イオン交換工程を経たものを濃縮したものを用いることが好適となる。
【0009】
その場合、ことに蒸発または蒸留にかける前の粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物が、エチレングリコールを主たる溶媒としビス‐β‐ヒドロキシエチルテレフタレーを主たる溶質とする溶液中でビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートが析出することなく、かつ、イオン交換体が安定に使用に耐え得るような温度条件下でイオン交換体によって脱カチオンおよび/または脱アニオンされ、溶媒を除去した後の溶質中における(i)Na、Mg、Ca、Fe、Co、Zn、Ti、Sn、Sb、GeおよびPよりなるカチオンおよび(ii)ハロゲン、NO2、NO3、PO4およびSO4よりなるアニオンの合計イオン含有量が50ppm以下まで脱イオンされているべきである。
【0010】
この合計イオン含有量は40ppm以下が好ましく、より好ましくは30ppm以下である。合計イオン含有量は少ない程有利であるが、10ppmより少なくするには、より複雑な脱イオン工程が必要となり不経済となる。合計イオン含有量が30ppm程度であれば、蒸発または蒸留に実質的に支障を与えない。最も好ましい合計イオン含有量は10ppm以下である。またアニオンの合計含有量は1ppm以下が適当である。
【0011】
前記のごとく特定カチオンおよびアニオンの合計イオン含有量とするためには、イオン交換体、ことにイオン交換樹脂を用いることが好適である。その場合、ことにビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物が、エチレングリコールを主たる溶媒としてビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを主たる溶質とする溶液において実質的に脱カチオンおよび/または脱アニオン処理することが実用的である。その際、脱カチオンおよび/または脱アニオン処理は、順序は関係なく、どちらが先でも後でもよい。そのような態様に適する脱カチオン用イオン交換樹脂の例としては、アンバーライトの陽イオン交換樹脂(オルガノ社製)を、脱アニオン用イオン交換樹脂の例としてはアンバーライトの陰イオン交換樹脂(オルガノ社製)等を挙げることができる。かかるイオン交換樹脂を用いた工程は、それ自体公知の方法を適用して実施することが可能であるが、脱カチオンおよび/または脱アニオンの操作を行う際に、エチレングリコールを主たる溶媒としビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを主たる溶質とする溶液中でビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートが析出することなく、かつ、イオン交換樹脂が安定に使用に耐え得るような温度条件と溶液中のビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート濃度を選択することが好適である。
【0012】
本発明の精製方法を実施するに当って粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート中の合計イオン含有量を前記範囲とすると共に、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの沸点より低い沸点の物質の含有量が10重量%以下、好ましくは5重量%以下、より好ましくは2重量%以下であることが好ましい態様である。
【0013】
本発明の実施にあって、前述した特定の粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートと、従来一般に存在する本発明での規定を満たさないビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートとを、同条件に置いたときの挙動は、驚くべきとに全く異なっている。例えば、前記カチオンの重量が2,080ppmでありかつ前記アニオンの重量が22ppmである粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物を脱カチオンおよび脱アニオン処理することなくビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの沸点より低い沸点の物質の含有量が5.0重量%になるまで濃縮して分子蒸留にかけると、得られたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは目視で明らかに認識できる程度に着色しており、分子蒸留中のオリゴマー生成率が9.2%と高く、同時に析出物が蒸留機の伝熱面に固着・堆積して蒸留時の安定な伝熱を阻害し、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの回収率も約70%低下となった。一方、脱カチオンおよび脱アニオン処理を行い前記カチオン重量10ppmおよび前記アニオン重量0ppmまで脱イオンした粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物を同一条件まで濃縮し、同一条件で分子蒸留にかけると得られたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートには目視で判別できる着色は無く、分子蒸留中のオリゴマー生成率は0.7%程度であり、析出物が蒸留機の伝熱面に固着することもほとんどなく安定な連続運転が可能となり、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの回収率は約98%ないしそれ以上であった。
さらに本発明は、蒸発または蒸留精製する前に、できれば、脱イオン処理する前に、粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートをエチレングリコール溶液中で脱色処理することが望ましい。その脱色処理は活性炭などの吸着剤処理が有利である。
【0014】
本発明の精製方法は、前記した合計イオン含有量および低沸点の物質の含有量を特定量に制御された粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを減圧下に蒸発または蒸留することにより実施される。その際、蒸留温度は130〜250℃の範囲が好ましく、160〜220℃の範囲が一層好ましい。また圧力は、300Pa(2.25mmHg)(絶対圧)以下の減圧下であることが好ましく、70Pa(0.5mmHg)(絶対圧)以下の範囲が一層有利である。
さらに蒸発または蒸留機中におけるビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの平均滞留時間は2時間以下、好ましくは1.5時間以下であるのが有利である。
【0015】
本発明の蒸発または蒸留精製により回収された精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、極めて高品質であり、前記カチオンおよびアニオンの合計含有量が15ppm以下、好適には5ppm以下である。さらにビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの含有量が97重量%以上、好適には98重量%以上である。
かくして得られた精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、ポリエチレンテレフタレートもしくはその共重合ポリエステルの製造に使用される。
本発明によって得た精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、前述のごとき各種用途に広く用いられるポリエステルの原料の少なくとも一部として使用するに好適なものである。具体的には、重合触媒としては、それ自体公知のものが使用できる。例えばアンチモン化合物、チタン化合物やゲルマニウム化合物が使用できる。
【0016】
かかるポリエステルとは、エチレンテレフタレートを主たる構成単位とするものであり、他の構成成分の1種以上を少割合共重合したものも含まれる。その共重合成分の許容される範囲は、例えば、全構成単位当り通常40モル%以下、好ましくは30モル%以下、さらに好適には20モル%以下である。共重合され得る成分の例としては、ジカルボン酸成分としてイソフタル酸、ジフェニルジカルボン酸、ジフェニルスルフォンジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェノキシエタンジカルボン酸、ナトリウムスルフォイソフタル酸のごとき芳香族ジカルボン酸;セバチン酸、アジピン酸のごとき脂肪族ジカルボン酸;ヘキサヒドロテレフタル酸のごとき脂環族ジカルボン酸のごときものを挙げることができる。また、ジオール類としてトリメチレングリコール、テトラメチレングリコール、ヘキサメチレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、ビス−β−ヒドロキシエチルビスフェノールA、ビス−β−ヒドロキシエトキシジフェニルスルフォン、ビス−β−ヒドロキシエトキシジフェニルエーテル、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコールなどを挙げることができる。また、ヒドロキシカルボン酸類、例えば、p−ヒドロキシエトキシフェニルカルボン酸のごときものも例として挙げることができる。さらに、3官能以上の多官能化合物および/または単官能化合物を併用することもポリエステルが線状を保つ範囲において可能である。3官能以上の多官能化合物の例としては、トリメシン酸、グリセリン、ペンタエリスリトールなど、また、単官能化合物の例としては、ジフェニルモノカルボン酸、ジフェニルエーテルモノカルボン酸、フェノキシポリエチレングリコールなどを挙げることができる。これら各種共重合成分はエステルの状態にするなど、機能的誘導体として用いることが可能であり、また、それらは1種または2種以上であって良い。
【0017】
本発明者の検討結果によれば、本発明の方法によって得た精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートをその製造原料の少なくとも一部として用いて得たポリエステルは、繊維、フィルム、ボトルなどといった各種成形品として何ら問題なく使用可能である。さらに、各種ポリエステル成形物を解重合して実質的に精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの段階に戻す場合にあって、通常、それはエチレングリコールを用いて解重合工程を実施することより、得られた解重合物はエチレングリコールを主溶媒とする溶液として得ることができ、その溶液をそのまま、あるいは適当な濃度に調整したうえで、前述したカチオンおよび/またはアニオンを除去する工程、また必要に応じその前、その間および/または後に脱色工程を経由することにより、本発明の方法に供する粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含有する組成物とすることができ、それに本発明の精製方法を適用して精製されたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを得ることができるのである。
【0018】
そしてその精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、高品質のポリエステルを再度製造する原料の少なくとも一部として供することが可能なのである。そのような場合にあって、解重合せんとするポリエステル成形物が、商品形態となっていたりした場合のように他の材料と混在していたり、ごみのような異物と混在しているような状態にあっても、必要に応じ、選別、濾別、などの異物除去工程を適用することによって本発明を支障なく実施することができるのである。
【0019】
そのような具体的な例を挙げれば、例えば、ポリエステル成形品が繊維状の商品形態をとっていた場合、異種繊維と混在していたり、ポリエステル中に用いられている酸化チタンのごとき無機物を含んでいたりする状況、ポリエステルがフィルム状の形態であった場合に他種フィルム材料と混在したり、ポリエステル中に用いられている各種滑剤などを含んでいたりする状況、ポリエステルがその他の各種成形品、例えばボトルの形態であった場合に、蓋部分やボトム部分に用いられたポリエチレンなどの他種材料とともに破砕されて混在するような状況や、ラベルなどに用いられた紙またはプラスチック類のような他種材料と混在しているような状況は、むしろ通常にある状況であるが、本発明者の検討結果によれば、液々分離や固液分離など、従来公知の手法を適用し、かつ本発明の方法と、必要に応じ前述したような各種手法を用いることにより、高品質の目的物とすることが可能である。
【0020】
【実施例】
本発明をさらに具体的な態様について説明するために、以下実施例を挙げる。本発明が、これらの例のみに限定されるものでないことはいうまでもない。
【0021】
実施例1
使用済みペットボトル(ポリエチレンテレフタレート樹脂よりなる)の粉砕フレーク53kgとエチレングリコール298kgとを1m3の撹拌機付オートクレーブに仕込み、公知のエステル交換触媒であるナトリウムメチラート0.27kgを添加して200℃、常圧の条件下で4時間解重合して、エチレングリコールを主たる溶媒としビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを主たる溶質とする溶液とし、この溶液を55℃に降温して全量活性炭による脱色処理をして350kgの原溶液を得た。原溶液の濃縮溶質中の総カチオン重量は2,080ppm、総アニオン重量は22ppmであった。この原溶液150kgを55℃の温度でカチオンイオン交換樹脂(オルガノ社製アンバーライトIR120−B)により脱カチオンし、続いてアニオンイオン交換樹脂(オルガノ社製アンバーライト IRA−400)により脱アニオンを行った。脱イオン後溶液の濃縮溶質中の総カチオン重量は9.4ppm、総アニオン重量は0ppmであった。この脱カチオン・脱アニオンされた溶液を500リッターの撹拌機付・真空発生装置付オートクレーブに仕込み135℃、10,670Pa(80mmHg)の条件で溶液中のエチレングリコール残重量が20%になるまでエチレングリコールを留去した後、伝熱面積0.5m2の真空薄膜蒸発機にて150℃、200Pa(1.5mmHg)の条件でビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの沸点より低い沸点の物質含有量が5.0重量%になるまで濃縮して粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物31.6kgを得た。
【0022】
この粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを含む組成物31.6kgを伝熱面積0.5m2の分子蒸留機にかけて温度200℃、24Pa(0.18mmHg)の条件で75分かけて分子蒸留し、精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレート29.4kgを得た。実施例の操作結果を表1に示す。また、得られた精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの品質分析値を表2に示す。次いで、得られた精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの常温粉末500gを1,000ccの攪拌機付ガラス製重合器に入れ、窒素ガスで十分に置換し、窒素ガス雰囲気下で130℃まで加温してビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを溶融した後、予め沸点状態のエチレングリコールに六方晶系の二酸化ゲルマニウムを完全溶解した二酸化ゲルマニウム0.2重量部の液27.2gを重合触媒として窒素ガス雰囲気下で添加し攪拌しながら20分かけてエチレングリコールの沸点(197℃)まで昇温し、さらに、常圧、197℃の条件で45分間加熱、攪拌を行いポリエチレンテレフタレートのオリゴマーを得た。続けて、このオリゴマーを280℃、90Pa(0.7mmHg)の条件で2時間かけて重縮合してポリエチレンテレフタレートを得た。得られたポリエチレンテレフタレートの品質分析値を表3に示す。精製ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートおよびポリエチレンテレフタレートのいずれも実用上極めて優れた品質レベルであった。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
表中の光学密度とはビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの品質評価法であり、着色物含量に比例的とする量である。10%メタノール溶液の吸光度を波長380nm、セル長10mmにて測定したものである。また、白度は測色色差計で測定し、ハンター法のL(明るさ)、a(赤色度)、b(黄色度)値で示した。
【0026】
【表3】
【0027】
表中の極限粘度はオルソクロロフェノール中30℃で測定した。また、白度は測色色差計で測定し、ハンター法のL(明るさ)、a(赤色度)、b(黄色度)値で示した。
【0028】
実施例2
実施例1で脱色処理した原溶液100kgを脱カチオンのみ行い、脱アニオンしないで実施例1と同一の操作を行った。この時の操作結果を表4に示す。
【0029】
【表4】
【0030】
得られたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは目視で識別できる程度には薄黄色に着色していたが、分子蒸留中のオリゴマー生成率は3.7%であり、析出物が蒸留機の伝熱面に固着・堆積するという現象はほとんど見られなかった。この時のビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの回収率は87.4%であった。
【0031】
比較例1
実施例1で脱色処理した原溶液100kgを脱カチオンおよび脱アニオンしないで実施例1と同一の操作を行った。この時の操作結果を表5に示す。
【0032】
【表5】
【0033】
得られたビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは目視で明らかに識別できる程に黄褐色に着色しており、分子蒸留中のオリゴマー生成率が9.2%と高く、同時に蒸留機の伝熱面に析出物が固着・堆積して安定な連続蒸留操作が困難であり、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの回収率が69.2%に低下した。
Claims (7)
- ポリエチレンテレフタレートのエチレングリコール解重合により得られ、(i)Na、Mg、Ca、Fe、Co、Zn、Ti、Sn、Sb、GeおよびPよりなるカチオン並びに(ii)ハロゲン、NO2、NO3、PO4およびSO4よりなるアニオンの合計含有量が50ppm以下である粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートを減圧下蒸発または蒸留することを特徴とする、ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートの精製方法。
- 蒸発または蒸留を160〜220℃の範囲の温度で実施する請求項1記載の精製方法。
- 蒸発または蒸留を300Pa(2.25mmHg)(絶対圧)以下の減圧下で実施する請求項1記載の精製方法。
- 粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは前記カチオンおよびアニオンの合計含有量が40ppm以下である請求項1記載の精製方法。
- 粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは前記カチオンおよびアニオンの合計含有量が30ppm以下である請求項1記載の精製方法。
- 粗ビス−β−ヒドロキシエチルテレフタレートは、ポリエチレンテレフタレートのエチレングリコール解重合により得られた反応混合物を脱カチオン処理および脱アニオン処理して得られた生成物である請求項1記載の精製方法。
- 前記反応混合物を脱色処理する請求項6記載の精製方法。
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