JP4327724B2 - テトラヒドロフラン−コポリマーの製造法 - Google Patents

テトラヒドロフラン−コポリマーの製造法 Download PDF

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Description

本発明は、テトラヒドロフランおよびα,ω−ジオールをヘテロポリ酸および炭化水素の存在で共重合させることによってポリオキシアルキレングリコール(ポリアルキレンエーテルグリコール)を製造するための新規方法に関し、この場合、水は、共重合から直接に前記炭化水素との混合物として除去される。
ポリオキシアルキレングリコールは、弾性繊維、弾性構造材料および被覆を製造するための重要な出発物質である。このポリオキシアルキレングリコールは、テトラヒドロフラン(以下、”THF”と呼称される)を重合させることによって製造されるかまたはTHFをオキシラン、例えば酸化エチレンもしくは酸化プロピレンまたはα,ω−ジオールと陽イオン触媒の存在で共重合させることによって製造される。例えば、触媒としてヘテロポリ酸を使用することは、欧州特許出願公開第126471号明細書の記載から公知である。この方法により、ポリアルキレンエーテルグリコールは、1工程で得ることができ、一方、別の方法によれば、最初にポリオキシアルキレングリコールのエステルを得ることができ、このエステルは、ポリマーの分野への使用前になおポリオキシアルキレングリコールに加水分解されなければならない。
THFをα,ω−ジオールと共重合させる場合には、反応水は、遊離される。その上、商業的に入手可能なヘテロポリ酸は、ヘテロポリ酸1モル当たり結晶水10〜40モルを含有する。水は、一方で、触媒活性に不利に作用し、他方、連鎖停止剤(所謂”テロゲン”)として作用するので、反応水ならびに結晶水を共重合から除去することが必要とされる。
水が除去される、THFコポリマーをα,ω−ジオールとヘテロポリ酸の存在で製造するための非連続的方法は、特開平10−87811号公報の記載から公知である。この場合、重合反応器から連続的に共重合溶液の一部分は、取り出され、水を分離するための方法に掛けられる。このために、最初にデカンター中で相分離が引き起こされ、触媒含有の下相は、重合反応器中に返送される。得られた上相は、蒸留ユニット中に導入され、この蒸留ユニット中で低沸点物は、分離される。塔底搬出物、主にコポリマーは、共重合に返送される。低沸点物混合物は、適当な吸着剤で乾燥され、同様に重合に返送される。
この非連続的な重合工程は、定常的な状態の達成のために3回の返送(触媒の返送、蒸発からのプレポリマーの返送および溶剤の返送)が必要とされるので、極めて煩雑であり、しかも費用がかかり、高価である。それによって、数多くの装置が必要とされる。
従って、本発明は、ヘテロポリ酸の存在でのTHFとα,ω−ジオールとの共重合を簡単で経済的に行なうという課題を基礎にするものであった。殊に、狭い分子量分布を有するポリオキシアルキレングリコールを連続的に製造する方法が見出されるはずであった。この新規方法は、コポリマーに対して14〜60質量%のジオールコモノマーの組み込み率(Einbauraten)を有するポリオキシアルキレングリコールを可能にするはずであった。その上、ポリオキシアルキレングリコールは、低い色価およびヘテロポリ酸触媒またはその後続生成物の僅かな残留不純物を有するはずであった。
ところで、意外なことに、水を共重合からの前記炭化水素との混合物で留去することを特徴とする、テトラヒドロフラン(THF)およびα,ω−ジオールをヘテロポリ酸および炭化水素の存在で共重合させることによってポリオキシアルキレングリコールを1工程で製造する方法が見出された。この場合、混合物は、本明細書中で通常の非共沸混合物とともに、炭化水素−水−共沸混合物である。
使用される炭化水素は、水との共沸混合物の形成に適している。炭化水素としては、4〜12個のC原子を有する脂肪族または脂環式炭化水素もしくは6〜10個のC原子を有する芳香族炭化水素またはこれらの混合物が使用される。詳細には、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、シクロペンタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンまたはナフタリンが挙げられ、この中でペンタン、シクロペンタンおよびオクタンが好ましく、ペンタンは、特に好ましい。
炭化水素は、コポリマーの新しい流入量に、α,ω−ジオールとTHFとの新しい流入量に対して1×10−4質量%(1ppmに相当する)、有利に1ppm〜16質量%、特に有利に1〜10質量%の量で添加される。しかし、炭化水素と水との混合物の分離のために、炭化水素を蒸留塔の頭頂部に導入することも可能である。共重合から放出される水の全体量により、それぞれの分子量は、調節されることができる。一般に、ヘテロポリ酸1モルは、10〜40分子の水を配位結合によって結合する。触媒として使用されるヘテロポリ酸は、ヘテロポリ酸1分子当たり約1〜10分子の水を含有する。その上、コモノマーとして使用されるα,ω−ジオールとの共重合によって、水は、遊離される。共重合溶液の含水量が高くなればなるほど、得られるコポリマーの分子量は、ますます低くなる。
”平均分子量”の表記は、本明細書中において、形成されたポリマー中に含有されているポリマーの数平均分子量Mである。
コモノマーとしては、α,ω−ジオール、例えばC〜C10−アルカンジオール、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、2−メチルブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,10−デカンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、200〜600ダルトンの平均分子量を有する本明細書中に記載されたα,ω−ジオールとの低分子量THF−コポリマーまたはこれらの混合物が使用される。好ましくは、コモノマーとして200〜600ダルトンの平均分子量を有するコモノマーおよびネオペンチルグリコールが使用され、特に有利には、ネオペンチルグリコールが使用される。
また、テトラヒドロフランと1,4−ブタンジオールと2−メチルブタンジオールとの混合物が使用されてもよく、この場合この種の混合物に対する2−メチルブタンジオールの含量は、混合物に対して100ppm〜60質量%であることができる。
本発明によれば、使用されるテトラヒドロフランに対してα,ω−ジオール1〜60質量%、有利に2〜40質量%、特に有利に3〜20質量%が共重合に使用される。
触媒としてのヘテロポリ酸の存在でのTHFとα,ω−ジオールとの共重合は、自体公知の方法で、例えば欧州特許出願公開第126471号明細書の記載と同様に行なわれる。
本発明により賞されるヘテロポリ酸は、イソポリ酸とは異なり、少なくと2個の異なる中心原子を有する無機ポリ酸である。ヘテロポリ酸は、部分的に混合された無水物として金属、例えばクロム、モリブデン、バナジウムおよびタングステンならびに非金属、例えば砒素、沃素、燐、セレン、珪素、硼素およびテルルのそれぞれの弱多塩基酸素酸から生成される。例として、ドデカタングステン燐酸H(PW1240)またはデカモリブデン燐酸H(PMo1240)が挙げられる。ヘテロポリ酸は、第2の中心原子としてアクチノイドまたはランタノイドを含有することもできる(Z. Chemie 17 (1977),第353〜357頁または19 (1979),第308頁参照)。ヘテロポリ酸は、一般に式H8−n(Y1940)、但し、nは、元素Y(例えば、硼素、珪素、亜鉛)の原子価であるものとする、によって記載されることができる(また、Heteropoly- und Isopolyoxometalates, Berlin; Springer 1983参照)。本発明による方法にとって、触媒としては、燐タングステン酸、燐モリブデン酸、珪素モリブデン酸および珪素タングステン酸が特に好適である。
触媒として使用されるヘテロポリ酸は、乾燥されて(水1〜10モル/ヘテロポリ酸1モル)かまたは乾燥されず(水10〜40モル/ヘテロポリ酸1モル)に共重合に使用されてよい。
一部分がヘテロポリ酸からの結晶水であり、一部分が反応中に生成された水である、共重合反応器中に存在する水は、新しい流入量と一緒に添加される炭化水素と水との混合物として40℃〜120℃、特に有利に50〜70℃の温度および150ミリバールないし2バール、有利に230ミリバールの圧力で通常の蒸留装置を用いて直接に共重合から、即ち中間接続された後処理工程、例えば相分離なしに共重合反応器から分離される。
生成される蒸気は、有利に表面凝縮器中で沈殿されるが;しかし、急冷および噴射凝縮も可能である。生じる凝縮物は、水の遠心分離のために溶剤後処理部に供給される。凝縮物を反応器中に部分的に返送すること、即ち反応熱を蒸発冷却により導出することは、特に好ましい。流出させるべき凝縮物中でできるだけ高い含水量を達成させるために、反応器と凝縮器との間には、返送凝縮物を環流として供給する多工程の向流型精留塔がさらに嵌め込まれていてもよい。
もう1つの実施態様において、共重合中に使用される炭化水素と水との混合物と同時に、炭化水素に依存して三次共沸混合物を形成させうるTHFは、留去される。
水との混合物で留去される炭化水素または水および炭化水素とテトラヒドロフランとの混合物は、適当な固体の吸着剤、例えばモレキュラーシーブを用いて乾燥されることができ、再び共重合に返送されうる。また、水相中および炭化水素中への相分離も考えることができる。水相は、THFを5質量%まで、有利に1質量%未満含有する。更に、この水相は、1質量%未満の濃度でそれぞれ炭化水素を含有する。THFおよび炭化水素は、水相の蒸留による後処理によって取得されることができ、返送されることができる。しかし、水相は、廃棄されてもよい。
炭化水素/水−混合物の分離後に残留するコポリマー溶液は、有利に相分離器中に移される。他の量の炭化水素の添加によって、ヘテロポリ酸は、生成物相から分離される。この例えば欧州特許出願公開第181621号明細書から公知の方法は、有機相からのヘテロポリ酸の後沈殿を生じる。炭化水素として、有利には、既に共重合に使用された炭化水素が使用される。
触媒相は、連続的な運転形式で反応装置中に残留し、僅かな触媒量を生成物含有の上相と一緒に搬出することによって生じる触媒損失に相応して、連続的に新規の触媒の供給によっておよび/または場合によっては搬出された触媒の返送によって補充される。
上相は、コポリマーおよびTHFの主要量ならびにヘテロポリ酸またはその後続生成物の僅かな残留量を含有する。この含量は、一般にコポリマー搬出に対して0.03質量%を超えない。それにも拘わらず、この残留量の触媒およびその後続生成物は、分離されなければならないことが確認された。それというのも、この残留量の触媒およびその後続生成物は、コポリマーの後加工に関連してコポリマーの性質に不利な影響を及ぼすからである。
コポリマーからのTHFの蒸留による分離は、触媒含量および/または触媒後続生成物の分離前または分離後に濾過、炭化水素限外濾過、固体の吸着剤での吸着によっておよび/またはイオン交換体を用いて行なうことができ、この場合には、濾過および固体の吸着剤での吸着が好ましい。好ましくは、濾過は、THFの先の分離なしに蒸留によって行なわれる。
記載された固体の吸着剤での吸着は、塩基による重合搬出物の中和と組み合わされてもよい。塩基としては、例えばアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物および炭酸塩がこれに該当する。
吸着は、有利に活性炭および/または金属酸化物および/またはイオン交換体上で10〜75℃、有利に20℃〜70℃で行なわれる。特に好ましくは、分離は、後処理工程a)でイオン交換体および/または活性炭上で行なわれる。金属酸化物としては、有利に水酸化ナトリウム、酸化アルミニウム、二酸化珪素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化ランタンおよび/または酸化カルシウムが使用される。
適当な活性炭は、例えばMerck社、Darmstadtから購入することができるかまたはChemviron Carbon社の市販製品活性炭 型CPG UF8x30の形で購入することができる。
適当なイオン交換体は、例えば陰イオン交換体、例えばBayer AG社、Leverkusenから購入することができる市販製品Lewatit MP 600(登録商標)、混合イオン交換体、例えばServa社, Heidelbergから購入することができる市販製品Serdolit(登録商標)または3〜10オングストロームの孔径を有するモレキュラーシーブである。
固体の吸着剤での吸着による触媒含量および/または触媒後続生成物の本発明による分離は、有利に固定床中で一般に0.2〜5kg/l*h、殊に0.4〜4kg/l*h(毎時吸着剤1 l当たり重合搬出物kg)の負荷で使用される。
本発明による方法は、連続的に実施されてもよいし、非連続的に実施されてもよいし、半バッチ的な運転形式で実施されてもよい。この場合、半バッチ的な運転形式または半連続的な運転形式は、ヘテロポリ酸が別のエダクト20〜50質量%と一緒に装入されることと理解される。更に、反応時間の経過中にエダクトの残留する残分は、供給される。連続的な運転形式および非連続的な運転形式のためには、有利にヘテロポリ酸は、使用されるモノマー100質量部(THFおよびα,ω−ジオール)に対して10〜300質量部、有利に50〜150質量部の量で使用される。また、大量のヘテロポリ酸を反応混合物に添加することも可能である。
ヘテロポリ酸は、固体の形で反応に供給されてよく、この場合には、このヘテロポリ酸は、他の反応体と接触させることによって次第に液状の触媒相の形成下に溶媒和される。また、固体のヘテロポリ酸を、使用することができるα,ω−ジオールおよび/またはTHFと混合し、その際に得られる触媒溶液を液状の触媒相として反応器中に導入するようにして実施することができる。この場合には、触媒相ならびにモノマーの出発物質を反応器中に装入することができる。しかし、2つの成分を同時に反応器中に導入してもよい。
連続的な運転形式の場合、新しいモノマーは、通常液位の調節により制御して反応器中に供給される。有利に新しいモノマーは、生成物および未反応のモノマーが反応装置から搬出される程度に供給される。こうして、滞留時間、ひいては重合時間は制御されることができ、それによって生成されるポリマーの平均分子量に影響を及ぼしかつ調節する他の手段が使用される。一般に、共重合は、触媒量および反応時間に依存してバッチ法で0.5〜70時間、有利に5〜50時間、特に有利に10〜40時間で実施される。連続的な方法の場合、通常、滞留時間は、1〜50時間、有利に10〜40時間に調節される。連続的な反応の開始時には、記載された反応系は、定常の平衡が生じるまでの或る程度の時間を必要とし、その間、反応器の排出口を閉鎖したままにする、即ち生成物溶液を反応装置から搬出しないことが有利である。
共重合は、通常、20〜100℃の温度、有利に30〜80℃で行なわれる。この場合、好ましくは大気圧下で作業されるが、しかし、圧力下、主に反応系の固有圧下での反応は、同時に有利で好ましいことが証明された。
反応器は、バッチ的での運転形式の場合、半バッチ的な運転形式の場合ならびに連続的な運転形式の場合に効率のよい混合装置、例えば攪拌機を装備している。
反応器としては、水含有蒸気を蒸発させるのに必要とされる不活性の液体表面および/または外部の自由液体表面を有する、当業者に公知の全ての液体反応器が適当であり、この場合には、均質なモノマー/ポリマー相中で触媒相を懸濁させるために液体中で十分に高い剪断力が達成される(攪拌釜、循環反応器、ループ型噴射管、パルス化取り付け物)。特に好ましい構造形式は、ループ型噴射管としての実施形式である。それというのも、この場合には、反応器の必要とされる温度調節部は、簡単に液体循環流中に組み込むことができるからである。反応混合物から連続的または非連続的に炭化水素の含水混合物は、蒸発され、こうして反応器内容物の含水量は、反応技術的に有利に調節される。
本発明による方法は、有利に不活性ガス雰囲気下で実施され、この場合には、任意の不活性ガス、例えば窒素またはアルゴンを使用することができる。反応体は、使用前に場合によっては反応体中に含有されている水および過酸化物が取り除かれる。
しかし、有利には、連続的な方法が使用される。この場合、反応は、連続的方法に適した従来の反応器または反応器装置中、例えば乳濁液状のコポリマーバッチ量の良好な混合を保証する内部取り付け物を装備した管状反応器中で実施されるかまたは攪拌釜カスケード中で実施されてもよい。
乳濁液状のコポリマーバッチ量は、ヘテロポリ酸1モル当たり水2〜10モルの含水量である。
本発明による方法によれば、ポリオキシアルキレングリコール、殊にTHFおよびネオペンチルグリコールのコポリマーは、経済的に良好な収率で選択的に狭い分子量分布でならびに低い色価を有する純粋な形で得ることができる。コポリマーは、コポリマーに対して10〜50質量%のα,ω−ジオール−コモノマーの組み込み率および600〜6000の平均分子量Mを有する。本発明による製造可能なポリオキシアルキレングリコールは、例えば高弾性の複合材料として適している特殊なポリウレタンの製造に使用される。本発明により製造可能なコポリマーを含むポリウレタンポリマーは、破断後の高い伸び、伸びの際の僅かな応力変化、膨脹の際の僅かなヒステリシス損失を有し、ならびに極端な冷時でも高い弾性を有する。
実施例
重合搬出物中でのW含量の測定(原子吸光分光分析ASについての陽イオン分析)
試料溶液約1gを溶解法に掛け、この場合には、試料を最初に濃硫酸で処理する。鉱酸を発煙させた後、Wを塩酸溶液中に留める。この溶液中でタングステン含量を誘導結合されたプラズマを用いての質量分光分析(ICP−MS)によって測定する。
色価の測定
溶剤が除去されたポリマーを未処理のままDr. Lange社の液体色測定器LICO 200中で測定する。精密キュベット型No. 100-QS(層厚50mm、Helma社)を使用する。
OH価の測定
ヒドロキシル価は、物質1gのアセチル化の際に結合された量の酢酸と等量である、mgでの水酸化カリウムの量である。
ヒドロキシル価を存在するヒドロキシル基を過剰量の無水酢酸でエステル化することによって測定する。反応の後、過剰量の無水酢酸を水で加水分解し、苛性ソーダ液で酢酸として再滴定する。
共重合比の測定
共重合比をHでBruker社、装置の型:dpx 400; 400MHz, Log. Standard:テトラメチルシラン(TMS)の機器を用いて溶剤CDClを使用しながら測定した。
例1
電磁攪拌装置を有する20 lの二重壁の反応器中でTHF5060gとネオペンチルグリコール440gとの混合物を攪拌し、均質な溶液に変えた。そのために、攪拌しながら水和されたドデカ燐タングステン酸4125g(HPO*xHO、但し、xは、4〜7であるものとする)を添加した。熱媒体(油)の温度を95℃に調節し、乳濁液を5時間非連続的に攪拌した。引続き、8部がNPGからなり、3部がペンタンからなり、残部がTHFからなるネオペンチルグリコール/THF/n−ペンタンからなる混合物200g/hを、連続的に反応容器中に装入した。反応温度を63〜64℃の維持した。その際に蒸発するTHF/ペンタン/水混合物を凝縮させ、後処理に供給した。
連続的に得られた、重合反応器の反応搬出物に後処理容器中でペンタン250gを添加し、相分離を行なった。重い水相を重合容器中に返送した。上相を20℃で、固定床として2.5 lの容器中に配置されている活性炭(Chemviron Carbon;型CPG UF 8 x 30)上に導いた。
活性炭で処理された反応搬出物450g/hおよび反応により蒸発された凝縮物210g/h(THF97質量%、ペンタン0.2質量%、水1.9質量%)を、30段の理論段を備えた、1.2バールで運転される向流型精留塔の第7段目に供給し、そこで1105g/h(THF0.1質量%、水1質量%、ペンタン0.09質量%)を返送しながら1210g/hの蒸気流(ペンタン98.3質量%、THF0.09質量%、水1.5質量%)と553g/hの塔底流(THF70質量%、ネオペンチルグリコール7.3質量%、コポリマー22.5質量%、ペンタン0.1質量%)とに分離した。塔頂流を凝縮させ、この場合2つの液相が形成された。水相を部分的に放出した(57.3g/h、ペンタンおよびTHFのみが痕跡で含有されている)。残留する水相および有機相の一部分を返送流として塔上に供給した。ペンタンの損失量を再ペンタン流中で反応および相分離のために補充した。反応および相分離における含水量の調節のために、再ペンタン流中に場合によっては水相の一部分を導入した。
塔の塔底搬出物から最初に1.2バールおよび75℃でTHFを1工程で蒸発させ、反応に返送し、次に、15ミリバールおよび170℃でNPGを同様に1工程で蒸発させ、反応中に返送した。
KOH 58mg/gのOH価を有し、10 APHAの色価および1ppmのW含量を有するコポリマーを得ることができた。
NPGの組み込み率は、18質量部であった。
例2:非連続的処理の実施
反応装置は、50cmの蒸留塔、凝縮器および還流弁を有する蒸留装置と加熱可能な10 lの反応器とからなる。
反応器にネオペンチルグリコール765gおよびTHF1875gを供給し、攪拌して均質な溶液に変えた。そのために、水和されたドデカ燐タングステン酸1500g(HPO*12Wo*xHO、但し、xは、4〜7であるものとする、Aldrich社)を攪拌しながら添加した。熱媒体の温度を95℃に調節した。反応溶液の温度が70℃に達した後、乳濁液状の溶液を5時間還流下に維持した。
その後に、ペンタン50mlを蒸留塔の頭頂部より添加した。反応の間に遊離される水をTHFと一緒に留去した。塔中でペンタン/水混合物が形成され、この混合物は、塔の頭頂部で共沸組成物を有する。頭頂部の流れを凝縮させる。2つの相混合物が形成され、この場合上側の有機相は、再び塔中に返送された。反応時間は、2時間であった。水122gを留去した。
反応の後、分離された溶液相(2700g)を取り出した。その後に、触媒相1300gは、残留したままであった。溶液相を例1と同様に後処理した。コポリマーのOH価を測定した。ポリマーの分子量は、1929であった。ネオペンチルグリコールの共重合比は、H−NMRにより測定され、34.5モル%であった。

Claims (8)

  1. テトラヒドロフランおよびα,ω−ジオールをヘテロポリ酸および炭化水素の存在で共重合させることによってポリオキシアルキレングリコールを1工程で製造する方法において、水を共重合からの前記炭化水素との混合物で留去することを特徴とする、ポリオキシアルキレングリコールを1工程で製造する方法。
  2. 5〜12個のC原子を有する脂肪族または脂環式炭化水素もしくは6〜12個のC原子を有する芳香族炭化水素またはこれらの混合物を使用する、請求項1記載の方法。
  3. ペンタンを炭化水素として使用する、請求項1または2記載の方法。
  4. 同時にテトラヒドロフランを留去する、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
  5. 炭化水素と水と場合によってはテトラヒドロフランとからなる混合物を40〜120℃および150ミリバールないし2バールの圧力で留去する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
  6. 炭化水素または炭化水素/テトラヒドロフラン混合物を乾燥後に返送する、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
  7. 方法を連続的または非連続的に実施することができる、請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法。
  8. ネオペンチルグリコールをα,ω−ジオールとして使用する、請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法。
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