JP5170388B2 - ポリカーボネート及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、地球環境に配慮した高耐熱性のポリカーボネート、更に詳しくは、植物資源由来のジオール化合物をジオール成分とし、ビスフェノールAをジオール成分とするポリカーボネート(ビスフェノールA型ポリカーボネート)よりも高いガラス転移温度を有する耐熱性に優れたポリカーボネート、及び、その製造方法に関する。
地球環境に配慮したポリカーボネートとして植物資源由来のジオール化合物であるイソソルビドをジオール成分とするポリカーボネート(イソソルビド型ポリカーボネート)が提案されている。例えば、特許文献1には、焼却処分しても地球温暖化への影響が少ない熱可塑性成形材料としてこのようなイソソルビド型ポリカーボネートが開示されている。
このポリカーボネートは、該ジオール成分とカーボネート化合物(ジエチル又はジプロピルカーボネート等)とのエステル交換反応などによって製造され、例えば、イソソルビド、ジエチルカーボネート、ナトリウムメトキシド(触媒)を使用し、最終的に200℃まで昇温して減圧下で30分間反応させることにより、重量平均分子量84000(GPCによる;スチレン換算)、ガラス転移温度86℃(DSCによる;但し昇温速度は不明である)のイソソルビド型ポリカーボネートが得られている。しかし、このポリカーボネートは、ビスフェノールA型ポリカーボネート(ガラス転移温度150℃程度;非特許文献1)に比べ、ガラス転移温度が極めて低く耐熱性に著しく劣るため、実用的価値の乏しいものであった。また、本発明者らが前記文献に開示されている方法によってこのポリカーボネートを製造しても、上記の重量平均分子量を持つものは得られず、ガラス転移温度が更に高く耐熱性に優れたイソソルビド型ポリカーボネートを得ることはできなかった。
また、非特許文献2には、ジフェニルカーボネートを用いてガラス転移温度の高いイソソルビド型ポリカーボネートを製造する方法が開示されている。例えば、イソソルビド、ジフェニルカーボネート、酢酸亜鉛を使用し、210℃、1mmHgの条件で8時間反応させることにより、数平均分子量26700(GPCによる;スチレン換算)、ガラス転移温度166℃(DSCによる;昇温速度5℃/分)のイソソルビド型ポリカーボネートが得られている。
また、特許文献2には、イソソルビド及び脂肪族アルキレングリコールをジオール成分とするポリカーボネートが開示され、その比較例として、イソソルビド、ジフェニルカーボネート、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド及び2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン二ナトリウム塩を使用し、最終的に250℃まで昇温して6.66×10−5MPaで1時間反応させることにより、還元粘度0.457(フェノール/テトラクロロエタン混合溶媒、濃度1.2g/dl、温度30℃)、ガラス転移温度163.7℃(DSCによる;昇温速度20℃/分)のイソソルビドをジオール成分とするポリカーボネートが得られることが記載されている。
しかし、非特許文献2及び特許文献2記載のポリカーボネートは、ガラス転移温度がビスフェノールA型ポリカーボネートより高く耐熱性を一応満足できるものであるが、実用的価値の高い更に耐熱性に優れたイソソルビド型ポリカーボネートについては製造方法も含めて全く知られていなかった。
特開2003−292603号公報 WO2004/111106 ポリカーボネート樹脂ハンドブック、日刊工業新聞社(1992)、191頁 J.Appl.PolymerSci.,86,872(2002)
本発明は、地球環境に配慮した高耐熱性のポリカーボネート及びその製造方法を提供することを目的とする。即ち、本発明は、植物資源由来のジオール化合物であるイソソルビドをジオール成分とするポリカーボネート(イソソルビド型ポリカーボネート)において、公知のビスフェノールA型ポリカーボネートやイソソルビド型ポリカーボネートよりも高いガラス転移温度を有する耐熱性に優れたポリカーボネート及びその製造方法を提供する。
本発明者らは、前記目的を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、イソソルビドとジアリールカーボネートをスズ触媒存在下で最終的に220〜270℃まで昇温してエステル交換反応させることにより、目的のガラス転移温度が高い耐熱性に優れたポリカーボネートが得られることを見出して本発明を完成するに至った。
本出願の開示事項は次のとおりである。
1.下式(I)で表される構造単位を含み、昇温速度10℃/分での示差熱量測定によるガラス転移温度が170℃以上であるポリカーボネート。
Figure 0005170388
2.ポリカーボネートのヘキサフルオロイソプロパノール溶液(濃度0.5g/dl)の25℃における粘度測定による還元粘度(ηsp/c)が0.7dl/g以上である、上記1に記載のポリカーボネート。
3.下式(II)で表される、上記1又は2記載のポリカーボネート(但し、式中、nは重合度を表す正の整数である。)。
Figure 0005170388
4.イソソルビドとジアリールカーボネートをスズ触媒存在下に最終到達温度を220〜270℃の範囲としてエステル交換反応させることを特徴とする、上記1〜3のいずれかに記載のポリカーボネートの製造方法。
5.スズ触媒がルイス酸である有機スズ化合物である、上記4に記載のポリカーボネートの製造方法。
本発明により、地球環境に配慮した高耐熱性のポリカーボネート、即ち、植物資源由来のジオール化合物であるイソソルビドをジオール成分とするポリカーボネート(イソソルビド型ポリカーボネート)において、公知のビスフェノールA型ポリカーボネートやイソソルビド型ポリカーボネートよりも高いガラス転移温度を有する耐熱性に優れたポリカーボネート、及び、その製造方法を提供することができる。
本発明のポリカーボネートは、再生可能な植物資源由来の原料を利用しているために廃棄に伴う地球環境への負荷が非常に少なく、更に、高耐熱性である上に高い弾性率と良好な耐加水分解性及び光学的性質を示すことから、従来のポリカーボネートの代替品と成り得るものである。例えば、シート、パイプ、容器、その他の成形品として、自動車、コンピューター及びその関連機器、光学機器・部材、電気・電子機器、情報・通信機器、精密機器、土木・建築用品、医療用品、家庭用品などの広範な用途において使用することができる。
実施例2で得られたポリカーボネートのH−NMRスペクトル及びピークの帰属を示す。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明のポリカーボネートは前記式(I)で表される構造単位を含んで成り、昇温速度10℃/分での示差熱量測定(DSC)によるガラス転移温度(T)が170℃以上、好ましくは170〜180℃の範囲にあるポリカーボネートである。
このポリカーボネートは、そのヘキサフルオロイソプロパノール溶液(濃度0.5g/dl)の25℃における粘度測定による還元粘度(ηsp/c)が0.7dl/g以上であることが好ましいが、0.7〜2.0dl/g、更には1.0〜2.0dl/g、特に1.0〜1.5dl/gの範囲であることがより好ましい。還元粘度が0.7dl/gより小さいと、ガラス転移温度が低く充分な耐熱性が得られず、2.0dl/gより大きいと、溶融粘度が高く成形性が悪くなる。
このような本発明のポリカーボネートは、また、前記式(II)で表されるポリカーボネートであること、即ち同一の構造単位の繰り返し構造を有することが好ましい。ここで、式中の「n」は重合度を表す正の整数であり、前記還元粘度に対応するものである。通常は、重合度の異なる化合物の混合物として得られ、混合物として前記還元粘度の範囲を満たす。
本発明のポリカーボネートは、イソソルビドとジアリールカーボネートをスズ触媒存在下に最終到達温度を220〜270℃の範囲としてエステル交換反応させることにより製造することができる。
スズ触媒としては、ルイス酸である有機スズ化合物が好ましく、例えば、ジスタノキサン化合物(1−ヒドロキシ−3−イソチオシアネート−1,1,3,3−テトラブチルジスタノキサン等)、酢酸スズ、ジラウリン酸ジブチルスズ、ブチルチンヒドロキシドオキシドヒドレートなどが高活性で好適である。この中では、ブチルチンヒドロキシドオキシドヒドレートが特に好ましい。触媒添加量は、ポリカーボネートを速やかに得られる条件であれば特に制限されないが、ジアリールカーボネート1モルに対して10−5〜10−3モルであることが好ましい。
ジアリールカーボネートとしては、例えば、ジフェニルカーボネート、ジナフチルカーボネート等が挙げられるが、中でもジフェニルカーボネートが好ましい。また、ジアリールカーボネートは、本発明のポリカーボネートの特性を損なわない範囲で他の有機カーボネートを単独又は複数で含んでいてもよい。このような有機カーボネートとしては、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等のジアルキルカーボネートが挙げられる。
イソソルビドは、1,4:3,6−ジアンヒドロ−D−グルシトール又は1,4:3,6−ジアンヒドロ−D−ソルビトールとも呼ばれる二環状エーテル(テトラヒドロフラン環)のジオールであり、前記式で表されるポリカーボネートのジオール成分を構成する。また、イソソルビドに加えて、必要に応じて、本発明のポリカーボネートの特性を損なわない範囲で他のジオールやポリオールを単独又は複数で含んでいてもよい。この場合、得られるポリマーは、式(I)の構造単位に加えて、他のジオールやポリオールに由来する構造を含有する。3価以上のポリオールを用いると、ポリカーボネートの分子鎖に分岐が導入される。また、ジオールやポリオールを用いない場合には、実質的に式(II)の構造を有するポリカーボネートが得られる。
このようなジオールやポリオールとしては、例えば、イソソルビドの立体異性体(1,4:3,6−ジアンヒドロ−D−マンニトール、1,4:3,6−ジアンヒドロ−L−イディトール)、脂肪族ジオール(エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、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、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオール、1,11−ウンデカンジオール、1,12−ドデカンジオール、ネオペンチルグリコール等)、脂環式ジオール(トランス(又はシス)−1,4−シクロヘキサンジメタノール等)、芳香族ジオール(p−キシリレングリコール、m−キシリレングリコール、o−キシリレングリコール、ハイドロキノン、ビスフェノールA等)、イソソルビド及びイソソルビド異性体とは異なる複素環式多価アルコール(D−ソルビトール等)が挙げられる。
ジアリールカーボネートとイソソルビドの使用割合は、ジアリールカーボネート/イソソルビド(モル比)が0.5〜2.0、更には0.91〜1.1、特に0.99〜1.01であることが好ましい。なお、これらが他の有機カーボネートや他のジオール又はポリオールを含む場合も、それぞれジアリールカーボネートやイソソルビドに相当するものとしてこの範囲で(即ち、カーボネートのエステル基のモル数とジオール又はポリオールのOH基のモル数がこの範囲となるように)使用される。
本発明のポリカーボネートは、前記のように、イソソルビドとジアリールカーボネートをスズ触媒存在下で最終到達温度を220〜270℃としてバッチ式又は連続式でエステル交換反応(重縮合反応)させることにより製造される。具体的には、次のような(i)前重縮合工程及び(ii)後重縮合工程の順で反応させることが好ましい。
(i)前重縮合工程:イソソルビドとジアリールカーボネートを反応器に仕込んで、反応器内を窒素置換した後、攪拌及び/又は窒素バブリングしながら突沸させないように徐々に所定の反応温度まで昇温する。このとき、反応圧力は常圧でよいが、反応温度は120〜210℃、更には150〜210℃、特に180〜210℃の範囲になるように制御することが好ましい。
引き続き、所定温度において、突沸させないように徐々に減圧して圧力を500〜100mmHg(66.5〜13.3kPa)にして数時間保持し、生成したアルコール(フェノール等)を留出させる。その後、更に昇温及び減圧してアルコールを完全に留出させるが、その際の最終到達温度は前記温度範囲内であることが好ましい。最終到達圧力は3.0mmHg(400Pa)より低い圧力、更には0.01mmHg(1.33Pa)以上で3.0mmHg(400Pa)より低い、特に0.1〜2.0mmHg(13.3〜266Pa)の範囲の圧力であることが好ましい。最終到達圧力下での反応時間は30分〜1時間であり、この間に生成したアルコールの留出がほぼ終了する。
(ii)後重縮合工程:次いで、前重縮合工程の最終到達圧力下、反応温度を徐々に上げて、最終的に220〜270℃、好ましくは220〜260℃、更に好ましくは220〜250℃の範囲にまで到達させる。このとき、昇温時間を含めて1〜10時間、特に2〜8時間、この温度と圧力を維持して反応を行なうことが好ましい。最終到達温度が220℃より低い場合、得られるポリカーボネートは還元粘度が低く、結果的にガラス転移温度が低く耐熱性の悪いものになる。また、270℃より高い場合は、反応時の熱劣化が顕著となって、得られるポリカーボネートは還元粘度が低く、結果的にガラス転移温度が低く耐熱性の悪いものになる。
このように、本発明では、イソソルビドとジアリールカーボネートを、(i)前重縮合工程において、最終到達温度を120〜210℃の範囲とし、最終到達圧力を3.0mmHg(400Pa)より低い圧力になるように制御して反応させ、次いで、(ii)後重縮合工程において、最終到達温度を220〜270℃の範囲とし、最終到達圧力は前重縮合工程と同様に3.0mmHg(400Pa)より低い圧力となるように制御しながらアルコール(フェノール等)を留出させて反応させることが好ましい。
本発明のポリカーボネートには、その使用に際して、その特性を損なわない範囲で必要に応じて他の重合体や添加剤を単独又は複数で配合することができる。配合できる添加剤としては、ポリカーボネートに配合できる公知の物質が挙げられ、例えば、顔料、染料、耐熱剤、着色防止剤、酸化防止剤、耐候剤、滑剤、帯電防止剤、発泡剤、安定剤、充填剤(タルク、クレイ、モンモリロナイト、マイカ、ゼオライト、ゾノトライト、炭酸カルシウム、カーボンブラック、シリカ粉末、アルミナ粉末、酸化チタン粉末等)、強化材(ガラス繊維、炭素繊維、シリカ繊維等)、難燃剤、可塑剤などが挙げられる。
また、配合できる他の重合体としては、ビスフェノールA型ポリカーボネート等の公知のポリカーボネートや、澱粉、酢酸セルロース、キトサン、アルギン酸、天然ゴム等の天然高分子が挙げられる。更に、その他の合成高分子も配合できる他の重合体として挙げることができ、例えば、ポリカプロラクトン又はその共重合体、ポリ乳酸又はその共重合体、ポリグリコール酸、ポリコハク酸エステル、コハク酸/アジピン酸コポリエステル、コハク酸/テレフタル酸コポリエステル、ポリ(3−ヒドロキシブタン酸)、(3−ヒドロキシブタン酸/4−ヒドロキシブタン酸)コポリマー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリグルタミン酸エステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリスチレン、ABS、ポリ塩化ビニル、ポリメタクリル酸メチル等のプラスチック、ポリオレフィンゴム、ポリエステルゴム、ポリアミドゴム、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体(SBS)、水添SBS等のゴム又はエラストマーなどが挙げられる。
本発明のポリカーボネートは、射出成形、押出成形、中空成形、プレス成形など、公知のポリカーボネートに適用される成形加工法により、各種成形物に成型加工することができる。このような成形物は、例えば、シート、パイプ、容器、その他成形品として、自動車、コンピューター及び関連機器、光学機器・部材、電気・電子機器、情報・通信機器、精密機器、土木・建築用品、医療用品、家庭用品など、従来、ポリカーボネート成形物が用いられてきた広範な用途に使用できる。
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、ポリカーボネートの評価は次のように行なった。
(1)構造解析:一次構造の解析はH−NMRにより行なった。但し、H−NMRは、AVANCE500(ブルカー・バイオスピン社製)を使用し、DMSO溶媒、積算回数32回の条件で測定した。
(2)還元粘度(ηsp/c):ポリカーボネートのヘキサフルオロイソプロパノール溶液(濃度0.5g/dl)を使用して25℃でウベローデ粘度計により測定した。
(3)融点(T)、ガラス転移温度(T):示差熱量測定(DSC)により求めた(窒素雰囲気下、昇温及び降温速度10℃/分)。
(4)引張特性:プレスシートからJIS3号ダンベル試験片を採取し、23℃、50%RHにおいて10mm/分の引張速度で測定した。
(5)耐加水分解性:プレスシートから20mm×5mmの試験片を切り出して、50℃、90%RHの雰囲気に放置し、所定時間経過後、その試験片について還元粘度を前記と同様に測定して放置前の試験片の還元粘度に対する保持率(%)を求めた。
(6)光学的性質(屈折率、アッベ数):プレスシートから20mm×5mmの試験片を切り出し、多波長アッベ屈折計(アタゴ社製)を用いて、23℃、50%RHの条件で測定した。このとき、屈折率はナトリウムのD線を光源として使用した。また、アッベ数(νe)は、e線、F’線、C’線を使用して同様に屈折率をそれぞれ測定し、下式により算出した。
νe=(n−1)/(nF’−nC’)(式中、n、nF’、nC’は、e線、F’線、C’線を使用して測定される屈折率をそれぞれ表す。)
〔実施例1〕
直径約30mmφのガラス製反応管(撹拌機、空冷管、窒素導入管を備える)に、ジフェニルカーボネート21.408g(0.1mol)、イソソルビド14.616g(0.1mol)及びブチルチンヒドロキシドオキシドヒドレート(CSn(O)OH・xHO)2.1mgを仕込んで、内部を窒素で置換した。次いで、以下のように重縮合反応(前重縮合工程及び後重縮合工程)を行なった。なお、昇温及び反応は窒素気流下で行なった。
(i)前重縮合工程:前記反応管をオイルバス中に設置してバス温を室温から190℃まで1時間かけて昇温させた後、反応温度を190℃に保ったままで300mmHg(39.9kPa)に減圧し、更に100mmHg(13.3kPa)に減圧して1時間反応させた。この間にフェノールが留出し始めた。引き続き、反応温度を200℃へ上げると共に真空度を徐々に上げながら1時間反応させた。最終到達圧力は0.5mmHg(66.5Pa)であった。
(ii)後重縮合工程:次いで、反応管を予め200℃に保っておいた塩浴に移し、0.5mmHg(66.5Pa)で反応温度が240℃になるまで昇温を続けた。2.5時間かけて240℃に到達させた後、更にその温度及び圧力で2時間反応させた。反応終了後、反応官を冷却して内容物を取り出した。得られたポリカーボネートの物性(還元粘度、融点、ガラス転移温度)を表1に示す。
〔実施例2〕
後重縮合工程において、最終到達温度を235℃にした以外は、実施例1と同様に反応を行なってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。また、このポリカーボネートのH−NMRスペクトルを図1に示す。これより、このポリカーボネートが前記式(II)で表される構造を有していることが明らかである。
次に、ホットプレス(神藤金属工業製)を使用し、得られたポリカーボネートから厚み約0.35mmのシートを下記の条件で作製した。このシートについて引張特性及び光学的性質を評価した結果を表2に示す。
・予熱:225℃、5分
・加圧:225℃、10MPa、1分
・冷却:空冷、大気圧下
〔実施例3〕
後重縮合工程において、240℃に到達させた後、更に1.5時間反応させた以外は、実施例1と同様に反応を行なってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
〔実施例4〕
後重縮合工程において、3時間かけて200℃から240℃に到達させた後、更に1時間反応させた以外は、実施例1と同様に反応を行ってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。また、実施例2と同様にして耐加水分解性を評価した結果を表2に示す。
〔比較例1〕
後重縮合工程において、反応管を塩浴に移さず、200℃に保ったオイルバス中で7時間反応させた以外は、実施例1と同様に反応を行なってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
〔比較例2〕
触媒をナトリウムメトキシド7.3mgに代え、後重合工程において、反応管を塩浴に移さず、200℃に保ったオイルバス中で6.5時間反応させた以外は、実施例1と同様に反応を行なってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
〔比較例3〕
ジエチルカーボネート15.0g(0.127mol)、イソソルビド10.0g(0.068mol)及びナトリウムメトキシド5mgを仕込み、前重縮合工程において反応温度を200℃へ上げると共に真空度を徐々に上げながら0.5時間反応させ(最終到達圧力0.5mmHg)、後重合工程を行なわなかった以外は、実施例1と同様に反応を行ってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
〔比較例4〕
ジエチルカーボネート10.283g(0.190mol)、イソソルビド14.616g(0.1mol)及びナトリウムメトキシド10.8mgを仕込んだ以外は、実施例1と同様に反応を行なってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
〔比較例5〕
後重縮合工程において、3時間かけて200℃から250℃に到達させて更に2時間反応させた後、最終到達温度280℃まで昇温させて反応させた以外は、実施例1と同様に反応を行ってポリカーボネートを得た。得られたポリカーボネートの物性を表1に示す。
Figure 0005170388
Figure 0005170388
本発明のポリカーボネートは、例えば、シート、パイプ、容器、その他成形品として、自動車、コンピューター及びその関連機器、光学機器・部材、電気・電子機器、情報・通信機器、精密機器、土木・建築用品、医療用品、家庭用品などの広範な用途において、従来のポリカーボネートの代替品に成り得る。

Claims (3)

  1. イソソルビドとジアリールカーボネートとをエステル交換反応させることにより得られる下式(II)で表され、昇温速度10℃/分での示差熱量測定によるガラス転移温度が170℃以上であるポリカーボネート(但し、式中、nは重合度を表す正の整数である。)
    Figure 0005170388
  2. イソソルビドとジアリールカーボネートをスズ触媒存在下に最終到達温度を220〜270℃の範囲としてエステル交換反応させることを特徴とする、請求項1に記載のポリカーボネートの製造方法。
  3. スズ触媒がルイス酸である有機スズ化合物である、請求項2に記載のポリカーボネートの製造方法。
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