JP4854904B2 - スチレン系ブロックコポリマーのカップリング方法 - Google Patents

スチレン系ブロックコポリマーのカップリング方法 Download PDF

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Description

【0001】
(発明の分野)
本発明は、少なくとも2つの官能基を有する結合性化合物を使用してリビングブロックコポリマー鎖を互いに結合させることによるスチレン系ブロックコポリマーの製造方法に関する。より詳細には、本発明は、結合性化合物として4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドを使用して2つのリビングブロックコポリマー鎖を互いにカップリングさせることによって、スチレン系ブロックコポリマーのカップリングを高効率で実現する方法に関する。
【0002】
(発明の背景)
スチレン−ジエンジブロックのカップリングによるスチレン−ジエン−スチレントリブロックコポリマーの生成は公知であり、完全に逐次的な重合による対応するポリマーの生成よりも多数の利点を有する。完全に逐次的な重合方法における第3のスチレンブロックを開始する場合に発生するクロスオーバーの問題がカップリング過程によって避けられるので、全体の速度がより速くなり、より対称的なスチレンブロックが得られる。スチレンブロックの対称性は、引張強さなどの多数の物理的性質にとって重要である。
【0003】
このようなブロックコポリマーのカップリング剤として有用であるとして多数の有機化合物が報告されている。線状ポリマーの生成に最も一般的に使用されるカップリング剤はジブロモエタンである。80から85%の範囲のカップリング効率はジブロモエタンによって容易に達成することができ、その生成物は優れた溶融粘度安定性を有する。しかしながらこれらの生成物は、臭化リチウムが存在するために高温でエージングさせた後に変色する。ギ酸メチルや種々のシラン類などのその他のカップリング剤は、適度に高いカップリング効率で色安定性の線状ポリマーを生成することが知られているが、これらの生成物の大部分は溶融粘度安定性が有意に低い。
【0004】
米国特許第5,461,095号には、高いカップリング効率、優れた溶融安定性、および優れた色安定性を有するとされるカップリングポリマーが記載されている。これらのポリマーは、高純度、高ジエポキシ含有率であるビスフェノールAジグリシジルエーテル(DGEBA)エポキシ樹脂などの芳香族エポキシ化合物をカップリング剤として使用することによって生成すると記載されている。シェル・ケミカル・カンパニー(Shell Chemical Company)のエポン(EPON)(登録商標)825樹脂はこの種の樹脂の一例である。残念ながら、これらの芳香族エポキシは、スチレン−ジエンブロックコポリマーのアニオン重合に一般的に使用されるシクロヘキサンなどの脂肪族炭化水素溶媒中での安定性が非常に低い。この結果、激しい混合をしなければ効率的なカップリングは困難である。これらの芳香族エポキシ樹脂は非常に粘稠となる傾向もあるため、高いカップリング効率に必要な正確な計量がより困難となり、溶解性が低いためにプロセス溶媒で希釈する必要がある。
【0005】
WO99/01490号には、カップリング剤として脂肪族多価アルコールのグリシジルエーテルの使用が記載されている。これらの物質はより低粘度であり、炭化水素溶媒に対して優れた溶解性を示すが、市販のグレードは多量のモノエポキシおよびヒドロキシル含有材料で汚染されている。高いカップリング効率を実現するためには、コストのかかる減圧蒸留による精製が必要である。
【0006】
4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシド(VCHD)は、低粘度で炭化水素溶解性のジエポキシ化合物であり、非常に高純度(高ジエポキシ含有率)で市販されている。しかしながら、これは線状トリブロックコポリマーの生成に使用するには反応性が低すぎると一般にみなされている。例えば、WO99/01490号では、比較試験V6において、50℃でリビングポリブタジエンポリマーをカップリングさせるために4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドを使用した。そのカップリング収率はわずか50.7%であった。ほとんどの用途では、カップリング効率は少なくとも70%であることが望ましく、80%に近いことが好ましい。
【0007】
高いカップリング効率が得られ、また、高い溶融安定性および優れた色安定性を有し、さらに脂肪族炭化水素溶媒に対して比較的良好な溶解性も示す生成物を生成するスチレン−ジエンブロックコポリマーのカップリング剤が必要とされていることが分かる。本発明はそのようなカップリング剤と、高いカップリング効率を達成するための方法とを提供する。
【0008】
(発明の概要)
態様の1つでは、本発明は、ビニルシクロヘキセンジオキシドを、ビニル芳香族炭化水素モノマーを重合させた少なくとも1つのブロックと共役ジエンモノマーを重合させた少なくとも1つのブロックとをモル比0.40から0.60で含むリビングブロックコポリマーと混合し、最低でも65℃の温度でカップリング反応を行って、カップリングしたスチレン系ブロックコポリマーを生成することを含む、スチレン系ブロックコポリマーのカップリング方法に関する。
【0009】
別の態様では、本発明は、ビニル芳香族モノマーを重合させた少なくとも1つのブロックAと共役ジエンを重合させた少なくとも1つのブロックBとを含む最大30重量%のスチレン系ブロックコポリマーと、少なくとも70重量%のスチレン系ブロックコポリマーとをビニルシクロヘキセンジオキシドでカップリングさせたものを含むポリマー組成物に関する。
【0010】
本発明は、4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシド(VCHD)をカップリング剤として使用するスチレン系ブロックコポリマーのカップリング方法に関する。最初に、スチレンまたは別のビニル芳香族炭化水素をアニオン重合させて、所望の分子量のリビングスチレンポリマーブロックを生成する。次に、ブタジエンまたはイソプレンなどのジエンを、スチレンポリマーブロックのリビング末端上にアニオン重合させる。最終ポリマーの所望の分子量の半分の分子量をジエンブロックが有するようにこの重合を実施する。次に、ポリマー1モル当たり4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドが0.40から0.6モル、好ましくは0.5から0.55モルのモル比で、4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドを反応混合物に加え、最低でも65℃の温度、好ましくは75℃から95℃の温度で、少なくとも15分間、好ましくは少なくとも30分間反応を行う。
【0011】
当技術分野では、高いカップリング効率を有する方法を使用して、このようなコポリマーを調製するために、カップリングしたスチレン−ジエンブロックコポリマーを調製することが好ましい。また、感圧接着剤およびホットメルト接着剤として、あるいはこれらの調製のためにコポリマーを使用することができる場合、このようなコポリマーを調製することが当技術分野では望ましい。
【0012】
(発明の詳細な説明)
よく知られているように、芳香族とエチレン系不飽和の両方を含有するポリマーは、ブタジエンまたはイソプレンなどの1種類以上のジオレフィン、特に1種類のジオレフィンを、スチレンなどの1種類以上のアルケニル芳香族炭化水素モノマーと共重合させることによって調製することができる。当然ながらこれらのコポリマーは、この場合のブロックのランダム、テーパー、ブロック、またはこれらの組合せであってよい。本発明の生成物は、A−Bジブロックコポリマーのカップリングによって調製される少なくとも70%のA−B−Aトリブロックと残部のA−Bジブロックの混合物であり、Bブロックの末端モノマー単位はイソプレンまたはブタジエンから誘導されることが好ましい。得られたこれら2種類のポリマーは、他のジブロックまたはトリブロックポリマー、あるいは星形または放射状ポリマー、すなわち一般構造(A−B)−X(式中nは2より大きい)のポリマーとブレンドすることもできる。混合ポリマー構造は、4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドと別のカップリング剤の混合物を使用してカップリングさせることによって形成することもできる。
【0013】
共役ジオレフィンのポリマーと、1種類以上の共役ジオレフィンと1種類以上のアルケニル芳香族炭化水素モノマーとのコポリマーとは、アニオン重合法を使用して溶液中で調製されることが多い。一般に、溶液アニオン法が使用される場合、これらのブロックコポリマーは、約−150℃から約300℃の範囲内の温度、好ましくは約0℃から100℃の範囲内の温度で好適な溶媒中で有機アルカリ金属化合物と同時または逐次的に重合させるモノマーと接触させることによって調製される。特に有効なアニオン重合開始剤は、一般式、
RLi
を有する有機リチウム化合物であり、式中、
Rは1から約20個の炭素原子を有する脂肪族、脂環式、芳香族、またはアルキル置換芳香族の炭化水素基であり、nは1から4の整数である。
【0014】
モノマーに対する開始剤のモル比によって、ブロックのサイズが決まり、すなわちモノマーに対する開始剤の比率が高いほど、ブロックの分子量が小さくなる。対象となる分子量範囲の生成物の場合、一般にこれはモノマー100g当たり約0.25から約50ミリモルの範囲の開始剤濃度となる。一般にモノマー濃度(固形分)は、得られるポリマー溶液の粘度および重合中の熱除去の制限の影響を受ける。重合固形分は一般に5重量%から50重量%の範囲であり、好ましくは20重量%から40重量%の範囲である。
【0015】
一般に、このようなポリマーの調製に有用であるとして従来技術で公知である任意の溶媒を使用することができる。好適な溶媒としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの直鎖および分岐鎖炭化水素、ならびにそれらのアルキル置換誘導体、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタンなどの脂環式炭化水素、ならびにそれらのアルキル置換誘導体、ベンゼン、ナフタレン、トルエン、キシレンなどの芳香族およびアルキル置換芳香族炭化水素、テトラリン、デカリンなどの水素化芳香族炭化水素が挙げられる。さらに、極性共溶媒を使用することもできる。好適な共溶媒としては、メチルエーテル、メチルエチルエーテル、テトラヒドロフランなどの線状および環状エーテル、およびこのようなエーテルの混合物が挙げられる。
【0016】
米国特許第4,096,203号(この開示内容を本明細書に援用する)に記載されているように、通常、スチレンを開始剤と接触させる。次に、溶液中のリビングポリマーをイソプレンまたは別のジエンと接触させる。得られるリビングポリマーは簡略化すると構造A−B−Liを有する。この時点で、リビングポリマーをカップリング剤でカップリングさせる。
【0017】
米国特許第3,595,941号および第3,468,972号(これらの開示内容を本明細書に援用する)に例示されるように従来技術では、最高のカップリング効率が得られる特定のカップリング剤または反応条件を選択する努力が常に投じられていた。ここでは高いカップリング効率が望ましく、より多くのA−B−Aポリマーを生成するためにも望ましい。カップリング効率は、カップリングしたポリマーの分子数を、カップリングしたポリマーの分子数とカップリングしていないポリマーの分子数との和で割ったものとして定義される。本発明では、カップリング剤として4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドを使用することによって、少なくとも70%のカップリング効率が達成できる。
【0018】
【化1】
Figure 0004854904
通常カップリング効率はゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって求められる。
【0019】
カップリング剤として単に4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドを使用するだけでは、本発明の所望の結果を得るためには十分ではない。カップリング過程は特定の条件下で行う必要がある。最初に、カップリング反応の温度は最低でも65℃、好ましくは75から95℃に維持する必要がある。温度が65℃より低いと、実現可能なカップリング効率ははるかに低くなり、すなわち例えば50%のカップリング効率となり、これはWO99/01490号で達成されている。温度はおそらく95℃以下にするべきであり、その理由は、カップリング反応の前にリビングポリマーブロックの一部の熱的な停止反応が起こる場合があるからである。
【0020】
カップリング反応は好ましくは少なくとも15分間行われ、好ましくは少なくとも30分間行われる。カップリング反応時間が15分未満の場合、全体的なカップリング効率の目標が達成されない。反応の延長された時間で起こるカップリングは小さく、そのコストに見合うほどではないので、60分間を超えてカップリング反応を実施する必要はないと思われる。
【0021】
最後に、正確な化学量論組成が実現されることが重要である。理想的には、最高カップリング効率は、二官能性カップリング剤においてカップリング剤のポリマーリチウム陰イオンに対するモル比が正確に0.5となる場合に実現されると考えられる。実際は、副反応が起こることによって、達成可能な最高カップリング効率が制限されるだけではなく、この比にも影響することもある。4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドの場合、ジエポキシドが過剰となる側に逸脱することが好ましい。少なくとも70%のカップリング効率はこの比が0.40から0.6の間である場合に達成可能であり、高いカップリング効率はこの比が0.5から0.55の間である場合に最も確実に達成される。
【0022】
カップリング反応後、または所望のカップリング効率が達成された後、残留活性陰イオンを停止させるために、例えば、水素、水、アルコール、またはその他の試薬などの停止剤を加えることなどによって生成物を中和させる。次に、熱水または蒸気またはそれらの両方を使用した凝集などによって生成物を回収する。
【0023】
次に、カップリングさせたポリマーを完成させ、末端消費者に送り出す。ポリマーはさらに他の成分と組み合わせることにより、所望とされるいかなる最終使用組成物へ変換することができる。
【0024】
実施例
調製したポリマーは、ブタジエンまたはイソプレンのホモポリマーであった。引き続く重合は、2リットルのブッチガラス製オートクレーブ反応器中で以下の一般的手順で実施した。所望量のシクロヘキサン溶媒を加え、続いて100gのモノマーと、重合中に使用することが望ましい任意の改質剤または共溶媒とを加える。溶媒投入量は、重合終了時の反応器内容物が1000gを超えないように調節した。ラウダ浴を使用して、反応器ジャケットの加熱および冷却を行った。次に、反応器内容物を初期温度(通常は40℃)まで加熱した。初期温度に到達してから、所望量のs−ブチルリチウムを加え、これを完全に移すために44gの乾燥シクロヘキサンを流し込んだ。重合が20%固形分で行われる場合、発熱温度がピークに達したときに2回目の100gのモノマーを投入した。最終のモノマーを投入して発熱温度がピークに達してから、カップリングに望ましい温度に浴温度を設定した。反応器が所望の温度に達し重合が半減期の少なくとも8倍まで進行してから4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドカップリング剤を加えた。4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドはユニオン・カーバイド(Union Carbide)から入手し(ERL−4206)、そのまま使用するか、あるいは4Aモレキュラーシーブで乾燥させてから使用した。カップリング剤は10重量%の乾燥シクロヘキサン溶液として加え、これを完全に移すために44gの乾燥シクロヘキサンを流した。カップリング反応終了時に、メタノール(s−ブチルリチウム1モル当たり1モル)を加え、反応器内容物を貯蔵のためのガラスびんに移した。
【0025】
カップリング温度が85℃を超える反応は、電熱装置を取り付けた1リットルのステンレス製ジッパー・クレーブ(オートクレーブ・エンジニアーズ)オートクレーブ反応器で行った。重合終了時の全投入重量は625gに調整した。反応器に伝達される熱が増加することにより発熱温度の上昇が極度に大きくなることはなく、開始温度を65℃まで上昇させた。その他については、上記の通りに重合を行った。
【0026】
より大型の反応設備でいくつかの実験を実施した。重合は上述の一般手順と同じ手順に従って実施した。しかしながら、これらの実験において目標とする分子は高分子量スチレン−イソプレン−スチレントリブロックコポリマーであった。最初に、スチレンとs−ブチルリチウムをシクロヘキサン中で接触させることによって、数平均分子量約10,800amuのポリスチリルリチウムを調製した。イソプレンとシクロヘキサンを第2の反応器に投入し、次にポリスチリルリチウム溶液の一部を第2の反応器に移した。イソプレンとポリマーの量は、得られるジブロック全体の数平均分子量が約67,000amuとなり、ポリスチレン含有率が約15重量%となり、反応終了時の固形分が約20重量%となるように選択した。イソプレン重合が完了してから、カップリング剤をニート(そのままの状態)で加えた。
【0027】
参考例1
50℃から95℃の間の温度においてシクロヘキサン中で、リビングポリイソプレンホモポリマー分子を4−ビニル−1−シクロヘキセンジエポキシドと、リビングポリマー1モル当たり約0.5モルのカップリング剤の比率で反応させた。すべての参考例において、カップリング剤を加えてから15分後、30分後、および60分後に試料を採取した。場合によっては、全部で4時間反応を進行させ、1時間ごとに試料を採取した。結果を以下の表1にまとめる。以下の表のカップリング剤:ポリマー−Liの比は、投入量データと、(1)GPCで求めた数平均分子量(M)、(2)H 核磁気共鳴(NMR)で求めた数平均分子量(M)、および(3)H NMRで直接求めたジエポキシ:s−ブチル比を使用して求めた平均値である。
【0028】
【表1】
Figure 0004854904
【0029】
所望の範囲内のカップリング効率は、50℃より高い温度で、少なくとも15分間、カップリング剤:ポリマーリチウム比を0.45から0.6の範囲内で反応させた場合に達成可能であることがはっきりと分かる。データをよく検討すると、0.58という高い比率でも範囲の上限(77%から78%)のカップリング効率が得られたことが分かる。
【0030】
75℃、85℃、および95℃における時間の関数としてのカップリング効率の変化を以下の表2にまとめる。試験したすべての温度において、カップリングの大部分は最初の15分間に起こった。85℃および95℃では、30分後には反応は実質的に完了する。
【0031】
【表2】
Figure 0004854904
【0032】
表3に記載される試験は、スチレン−イソプレン−スチレンブロックコポリマーの試験であって、より大型の設備で実施したものである。生成物が高分子量であるため、カップリング剤:ポリマー−Li比をH NMRで直接求めることができなかった。表中の値は、投入量と、GPCで測定した関連する分子量とから計算した。
【0033】
【表3】
Figure 0004854904
【0034】
これらの実験のすべては、本発明の温度範囲内の温度で実施した。また、カップリング剤のリビング鎖末端のモル比は本発明の範囲内であった。各場合について、少なくとも70%のカップリング効率が達成された。明らかに、工業的なスチレン系ブロックコポリマーの代表的製品はこの技術によって製造可能である。
【0035】
実施例2
スチレン−ジエンブロックコポリマーの重合によく使用される極性共溶媒を使用してさらにいくつかの重合を実施した。これらの実施例では、o−ジメトキシベンゼン(ODMB)、ジエトキシプロパン(DEP)、およびジエチルエーテル(DEE)を重合中の改質剤として使用した。イソプレンまたはブタジエンは、シクロヘキサン中で数平均分子量約10,000まで重合させた。次に、ビニルシクロヘキセンジエポキシドを加えた。反応は65℃および75℃で60分間行った。結果を以下の表4に示す。シクロヘキサン中のポリブタジエンのカップリングデータは、前参考例のポリイソプレンについて観測されたデータと整合性があった。
【0036】
【表4】
Figure 0004854904
【0037】
実施例3
試験番号7555の生成物をパイロット規模の熱水凝集沈殿装置で加工した。得られたクラムをさらに40℃で約1週間減圧乾燥した。試験番号7555で得たままの状態の塊状物を約40℃で終夜減圧乾燥するか、0.1重量%の脱イオン水を塊状物に加えてから乾燥するかのいずれかによる試料も調製した。熱水で凝集させた試料では、約1/3のリチウムがポリマーから抽出されると予想される。塊状物を乾燥させて回収した試料はすべてのリチウムを含有する。水を加えた場合では、試料が熱にさらされる前に大部分のリチウムが水酸化物または炭酸塩に変化すると予想される。
【0038】
溶融粘度安定性と高温色安定性を以下のように評価した。乾燥ポリマー試料を以下の組成の接着剤に配合した。
【0039】
25重量%のポリマー
60重量%のエスコレズ(Escorez)(登録商標)5300粘着付与樹脂
15重量%のタフロ(Tufflo)(登録商標)油
2phrのイルガノックス(Irganox)(登録商標)1010酸化防止剤
ここでphrはゴム100部に対する部数を意味する。
【0040】
この接着剤を、以下の表に記載の時間オーブンに入れて加熱し350°F(177℃)の空気にさらした。粘度はブルックフィールドレオメータを使用して177℃で測定し、色はガードナー法で評価した。結果を表5および6にまとめる。比較例AおよびBは、同種のポリマーをそれぞれDGEBAエポキシ(エポン(EPON)(登録商標)825樹脂)および二臭化エチレン(EDB)でカップリングさせた場合の代表的データを示している。溶融粘度安定性は、高温でポリマー構造がどの程度損なわれずに残っているかの尺度である。明らかに、VCHDでカップリングさせた生成物の溶融安定性は、エポン(EPON)(登録商標)825樹脂およびEDBでカップリングさせた生成物に匹敵する。さらに高温色安定性は、エポン(EPON)(登録商標)825樹脂でカップリングさせた生成物に匹敵し、EDBでカップリングさせた材料よりも明らかに優れている。
【0041】
【表5】
Figure 0004854904
【0042】
【表6】
Figure 0004854904

Claims (3)

  1. ビニルシクロヘキセンジオキシドを、ビニル芳香族炭化水素モノマーを重合させた少なくとも1つのブロックと共役ジエンモノマーを重合させた少なくとも1つのブロックとをモル比0.40から0.60で含むリビングブロックコポリマーと混合し、75〜95℃の温度でカップリング反応を行って、カップリングしたスチレン系ブロックコポリマーを生成することを含む、スチレン系ブロックコポリマーのカップリング方法。
  2. ビニル芳香族モノマーを重合させた少なくとも1つのブロックAと共役ジエンを重合させた少なくとも1つのブロックBとを含む最大30重量%のスチレン系ブロックコポリマーと、ビニルシクロヘキセンジオキシドと75〜95℃の温度でカップリングさせた少なくとも70重量%の前記スチレン系ブロックコポリマーとを含むポリマー組成物。
  3. 請求項2に記載のポリマー組成物を含む接着剤。
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