JP5259017B2 - 分岐ポリカーボネート - Google Patents

分岐ポリカーボネート

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Description

本発明は、エステル交換法で製造された分岐ポリカーボネートに関する。より詳細には、大型のブロー成形、押出成形、異型押出、中空シート成形の用途に好適に使用できる分岐ポリカーボネートに関する。
ポリカーボネートは、透明性や耐熱性、耐衝撃強度等の機械的強度が優れた樹脂であることから、エンジニアリングプラスチックとして多くの分野において幅広く用いられている。中でも近年、分子鎖内に分岐構造を付与した分岐ポリカーボネートが、ブロー成形による容器、異型押出用途等の大型の成形品の成形特性に優れることから、これらの用途での使用量が増大している。
分岐ポリカーボネートは、芳香族ジヒドロキシ化合物とホスゲンとからポリカーボネートを製造する際に、分岐剤として三官能又は四官能ヒドロキシ化合物のような多官能化合物を添加することで製造されている。近年、ポリカーボネートの製造方法として非ホスゲン法、いわゆる(溶融)エステル交換法が注目されているが、この製造方法は高温で重合反応を行うことから、要求される特性を満足する分岐ポリカーボネートは得られ難い。
また、エステル交換法でポリカーボネートを製造する際には、重合過程で、副反応としてコルベ−シュミット型の反応や、イソアルケニルフェノールの生成を経由する反応が起こることにより、ポリカーボネートに分岐構造が形成されることが知られている(非特許文献1、2)。これらの副反応が、良好な特性を有する分岐ポリカーボネートの製造に大きな影響を及ぼしている。すなわち、上記副反応に起因する分岐構造と多官能化合物に起因する分岐構造とを同時に導入した場合は、中空成形体等の製造に適した特定の分岐度を持つポリカーボネートが得られるが、同時に着色も起こり、色相が悪化してしまう。このような着色を抑えるため、例えば含窒素塩基性化合物等の特定化合物を触媒として用いることで上記副反応を抑えて、添加した多官能化合物だけに起因する分岐構造を導入する試みがなされている(特許文献1、2)。
また、上述の発想とは全く逆の発想で、多官能化合物を分岐剤として用いることなく、上記副反応を積極的に起こさせて分岐構造を形成させることによって分岐ポリカーボネートを製造する方法が提案されている(特許文献3〜8)。
特開平5−271400号公報 特開平5−295101号公報 米国特許4562242号明細書 特開2004−2831号公報 特開2005−126494号公報 特開2005−113119号公報 特開2005−97541号公報 特開2005−146254号公報
Encyclopedia of Polymer Science and Technology,10,722(1969) 本間精一著 ポリカーボネートハンドブック1992年 日刊工業新聞社刊
しかしながら、副反応を抑えて、添加した多官能化合物だけに起因する分岐構造を導入する試みでは、副反応に起因する分岐構造を極力減らすことによって着色を抑えることはできたものの、得られた分岐ポリカーボネート中にフィッシュアイが多いという問題があった。また、多官能化合物を分岐剤として用いることなく、副反応を積極的に起こさせて分岐構造を形成させる試みでは、副反応を促進させるために280℃以上の高い温度で重合反応を行うため、得られた分岐ポリカーボネートの色相が悪く、フィッシュアイが多く、更に、耐衝撃強度が低いという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エステル交換法で製造された分岐ポリカーボネートであって、耐衝撃性に優れ、フィッシュアイが少なく、優れた色相を有しながら、成形性を改善した分岐ポリカーボネートを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、ポリカーボネートの分岐構造と耐衝撃性、フィッシュアイの発生、色相及び成形性の関係について鋭意研究を重ねてきた。その結果、副反応に起因する分岐構造と多官能化合物による分岐構造をある特定の量と範囲に制御することで、これらの課題を一挙に解決できる分岐ポリカーボネートが提供できるという、驚くべき事実を見出した。
本発明は、ある特定の分岐構造が100%となることを目指したこれまでの改良検討とは一線を画すものである。すなわち本発明は、炭酸ジエステルに対する反応性のある官能基を分子中に3つ以上有する多官能化合物由来の分岐を有する分岐ポリカーボネートであって、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を主鎖及び分岐鎖に有し、該主鎖及び分岐鎖に直接結合した多官能化合物由来の分岐構造(a)と、下記一般式(2)、(3)及び(4)で表される分岐構造からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む分岐構造(b)とを含有し、下記一般式(1)で表される繰り返し単位の物質量に対する分岐構造(a)と分岐構造(b)との合計物質量の割合が0.2〜1.0モル%であり、分岐構造(a)と分岐構造(b)との合計物質量に対する分岐構造(b)の物質量の比が0.1〜0.6であり、分岐構造(b)の物質量に対する下記一般式(2)で表される分岐構造の物質量の比が0.5以上である分岐ポリカーボネートを提供する。ここで上記各「物質量」とは、当該分岐ポリカーボネートを加水分解したときに生じる、それぞれの構造由来の成分の物質量をいう。
Figure 0005259017
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(式中、Arは2価の芳香族残基、Ar’は3価の芳香族残基を示す。)
本発明の分岐ポリカーボネートは上記構成を有していることにより、エステル交換法で製造された分岐ポリカーボネートであって、耐衝撃性に優れ、フィッシュアイが少なく、優れた色相を有しながら、成形性を改善することができる。
分岐構造(b)の物質量に対する一般式(4)で表される分岐構造の物質量の比は0.25以下であることが好ましい。
ここで、多官能化合物は、フェノール性水酸基及び/又はカルボキシル基を3つ以上有する化合物であることが好ましい。これにより、本発明の分岐ポリカーボネートの特性が一層向上する。
また、本発明において、多官能化合物は、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン及び/又は4−[4−[1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エチル]−α,α−ジメチルベンジル]フェノールであり、上記一般式(2)、(3)及び(4)で表される分岐構造は、それぞれ下記式(5)、(6)及び(7)で表される分岐構造であることが好ましい。これにより、本発明の分岐ポリカーボネートの特性がより一層向上する。
Figure 0005259017
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また、本発明は、上記分岐ポリカーボネートをブロー成形して得られる容器を提供する。
上記容器は、底面に平行な面に沿って厚みを測定し、最大の厚さを最小の厚さで除した値の範囲が1.0以上2.0未満であるとよい。
本発明によれば、エステル交換法で製造された分岐ポリカーボネートであって、耐衝撃性に優れ、フィッシュアイが少なく、優れた色相を有しながら、ブロー成形、押出成形、異型押出、特に5〜30リットルの大型の水ボトルなどの容器を成形するブロー成形に好適に使用できる分岐ポリカーボネートを提供することができる。
本発明の一実施形態の分岐ポリカーボネートを製造する製造システムの概略図である。
以下に、本発明を詳細に説明する。本実施形態の分岐ポリカーボネートは、芳香族ジヒドロキシ化合物と、炭酸ジエステルと、炭酸ジエステルに対する反応性のある官能基を分子中に3つ以上有する多官能化合物とからエステル交換法により製造することができる。
本実施形態の分岐ポリカーボネートは、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を主鎖及び分岐鎖に有する。
Figure 0005259017
本発明の分岐ポリカーボネートは、上記一般式(1)で表される繰り返し単位の物質量に対する、多官能化合物由来の分岐構造(a)と下記一般式(2)、(3)及び(4)(以下、場合により、「(2)〜(4)」と表記する。)で表される分岐構造(b)の合計物質量の割合が0.2〜1.0モル%であり、0.3〜0.9モル%であることが好ましく、0.3〜0.8モル%であることが更に好ましい。すなわち、分岐構造(a)及び(b)の繰り返し単位の総量は、上記一般式(1)で表される繰り返し単位100モル%を基準として、0.2〜1.0モル%であり、0.3〜0.9モル%であることが好ましく、0.3〜0.8モル%であることが更に好ましい。分岐構造(a)及び(b)の総量が1.0モル%より多い場合にはフィッシュアイの増加及び耐衝撃性や機械的強度の低下が起こり、0.2モル%より少ない場合には成形性の改善効果が小さく本発明の効果が発現しない傾向にある。
Figure 0005259017
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(式中、Arは2価の芳香族残基、Ar’は3価の芳香族残基を示す。)
また、本実施形態の分岐ポリカーボネートは、上記分岐構造(a)と分岐構造(b)との合計物質量に対する分岐構造(b)の物質量の比が0.1〜0.6であり、好ましくは0.2〜0.6であり、更に好ましくは0.3〜0.6である。0.6を超えると耐衝撃性、機械的強度が低下し、フィッシュアイが多くなる傾向があり、0.1を下回る場合は、成形性の改善効果が小さく本発明の効果が発現しない傾向がある。
また、本実施形態の分岐ポリカーボネートは、上記一般式(2)で表される分岐構造を必須として含み、上記一般式(2)〜(4)で表される分岐構造(b)の物質量に対する上記一般式(2)で表される分岐構造の物質量の比が0.5以上であり、好ましくは0.85以上であり、より好ましくは0.9以上である。上記一般式(2)で表される分岐構造の物質量の比が0.5を下回る場合は、耐衝撃性、機械的強度が低下し、フィッシュアイが多くなる傾向がある。
また、本実施形態の分岐ポリカーボネートは、上記一般式(2)で表される分岐構造に加え、上記一般式(3)で表される分岐構造も含むことができる。
また、本実施形態の分岐ポリカーボネートは、分岐構造(b)の物質量に対する一般式(4)で表される分岐構造の物質量の比は0.25以下であることが好ましく、より好ましくは0.05以下であり、更に好ましくは0.01以下である。一般式(4)で表される分岐構造の物質量の比が0.25以下であれば、耐衝撃強度、色相が一層向上し、フィッシュアイが更に減少する傾向がある。
なお、本明細書において「主鎖」とは、原料として使用する芳香族ジヒドロキシ化合物及び炭酸ジエステルとがエステル交換反応により縮合して形成されたポリマー鎖をいう。この場合において、多官能化合物によって分岐されている部分(「分岐構造(a)」)では、複数存在する分岐鎖のうち、分岐した先の部分が最も長い分岐鎖を選択し、これを主鎖として位置づける。
本明細書において、「分岐構造(a)」とは、多官能化合物によって分岐された分岐構造をいう。例えば、多官能化合物として1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンを用いた場合、下記式で示される構造が「分岐構造(a)」となる。
Figure 0005259017
本明細書において、「分岐構造(b)」とは、主鎖に対して、分岐ポリカーボネートの製造過程で(例えばフリース転位反応により)自然発生的に生成した分岐構造をいう。
芳香族ジヒドロキシ化合物とは、例えば、HO−Ar−OHで示される化合物である。Arは2価の芳香族残基であり、例えば、フェニレン、ナフチレン、ビフェニレン、ピリジレン、又は、−Ar−Y−Ar−で表される2価の芳香族残基である。ここで、Ar及びArは、各々独立にそれぞれ炭素数5〜70を有する2価の炭素環式又は複素環式芳香族基を示し、Yは炭素数1〜30を有する2価のアルキレン基を示す。
また、上記式(1)及び(3)におけるArもHO−Ar−OHで示されるArと同義である。更に、上記式(2)、(3)及び(4)におけるAr’は、分岐の開始点に存在すべき置換基(例えば−COO−)が結合するために、Arから更に一つの水素原子等が除かれた、3価の芳香族残基を示す。
上記2価の芳香族基(Ar、Ar)において、芳香環に結合する1つ以上の水素原子は、反応に悪影響を及ぼさない他の置換基、例えば、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ビニル基、シアノ基、エステル基、アミド基、ニトロ基等によって置換されていてもよい。複素環式芳香族基の好ましい具体例としては、環を構成する1ないし複数の窒素原子、酸素原子又は硫黄原子を有する複素環式芳香族基を挙げることができる。
2価のアルキレン基Yは、例えば、下記一般式で示される有機基である。
Figure 0005259017
(式中、R、R、R、Rは、各々独立に水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、環を構成する炭素数が5〜10のシクロアルキル基、環を構成する炭素数が5〜10の炭素環式芳香族基、又は、炭素数6〜10の炭素環式アラルキル基を示す。kは3〜11の整数を示し、R及びRは、各Xについて個々に選択され、互いに独立に、水素原子又は炭素数1〜6のアルキル基を示し、Xは炭素を示す。また、R、R、R、R、R、Rにおいて、一つ以上の水素原子は、反応に悪影響を及ぼさない範囲で他の置換基、例えば炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ビニル基、シアノ基、エステル基、アミド基、ニトロ基等によって置換されていてもよい。)
以上のような置換基を有する2価の芳香族残基Arとしては、例えば、下記一般式で表されるものが挙げられる。
Figure 0005259017
(式中、R、Rは、各々独立に水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ビニル基、シアノ基、エステル基、アミド基、ニトロ基等を示し、m及びnは1〜4の整数を示し、mが2〜4のとき、各Rはそれぞれ同一でも異なっていてもよく、nが2〜4のとき、各Rはそれぞれ同一でも異っていてもよい。)
更に、2価の芳香族残基Arは、−Ar−Z−Ar−で示されるものであってもよい。Ar、Arは前述のとおりであり、Zは単結合又は−O−、−CO−、−S−、−SO−、−SO−、−COO−、−CON(R)−等の2価の基を表す。ただし、Rは前述のとおりである。
このような2価の芳香族残基Arとしては、例えば、下記一般式で表されるものが挙げられる。
Figure 0005259017
(式中、R、R、m及びnは、前述のとおりである。)
本実施形態で用いられる芳香族ジヒドロキシ化合物は、単独でも2種以上でもよい。芳香族ジヒドロキシ化合物の代表的な例としてはビスフェノールAが挙げられ、他の芳香族ジヒドロキシ化合物と同時に使用する場合は、芳香族ジヒドロキシ化合物の全体量に対してビスフェノールAを85モル%以上の割合で使用することが好ましい。また、これら芳香族ジヒドロキシ化合物は、塩素原子とアルカリ又はアルカリ土類金属の含有量が少ない方が好ましく、できれば実質的に含有していないことが好ましい。
本実施形態で用いられる炭酸ジエステルは、例えば、下記一般式で表される化合物である。
Figure 0005259017
(式中、Ar、Arはそれぞれ1価の芳香族基を表す。)
1価の芳香族基Ar及びArは、好ましくは、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、ピリジル基を挙げることができる。Ar、Arにおいて、芳香環に結合する1つ以上の水素原子は、反応に悪影響を及ぼさない他の置換基、例えば、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、フェニル基、フェノキシ基、ビニル基、シアノ基、エステル基、アミド基、ニトロ基等によって置換されていてもよい。Ar、Arは互いに同一であっても異なっていてもよい。
より好ましいAr及びArとしては、例えば下記式で示される基が挙げられる。
Figure 0005259017
炭酸ジエステルの代表的な例としては、下記一般式で表される置換又は非置換のジフェニルカーボネート類を挙げることができる。
Figure 0005259017
(式中、R及びR10は、各々独立に水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、環を構成する炭素数が5〜10のシクロアルキル基又はフェニル基を示し、p及びqは1〜5の整数を示し、pが2以上のとき各Rはそれぞれ異なっていてもよく、qが2以上のとき各R10はそれぞれ異なっていてもよい。)
上記炭酸ジエステル類の中でも、非置換のジフェニルカーボネート、並びに、ジトリルカーボネート及びジ−t−ブチルフェニルカーボネートのような低級アルキル置換ジフェニルカーボネート等の対称型ジアリールカーボネートが好ましく、ジフェニルカーボネートがより好ましい。これらの炭酸ジエステル類は単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、これら炭酸ジエステル類は、塩素原子とアルカリ又はアルカリ土類金属の含有量が少ない方が好ましく、できれば実質的に含有していないことが好ましい。
芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの使用割合(仕込比率)は、用いられる芳香族ジヒドロキシ化合物及び炭酸ジエステルの種類や、目標とする分子量や水酸基末端比率、重合条件等によって異なり、特に限定されない。炭酸ジエステルは芳香族ジヒドロキシ化合物1モルに対して、好ましくは0.9〜2.5モル、より好ましくは0.95〜2.0モル、更に好ましくは0.98〜1.5モルの割合で用いられる。また、末端変換や分子量調節のために芳香族モノヒドロキシ化合物を併用してもよい。
本実施形態で用いられる、炭酸ジエステルに対する反応性のある官能基を分子中に3つ以上有する多官能化合物としては、例えば、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、4−[4−[1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エチル]−α,α−ジメチルベンジル]フェノール、2,2’,2”−トリス(4−ヒドロキシフェニル)ジイソプロピルベンゼン、α、α’,α”−トリス(4−ヒドロキシフェニル)トリイソプロピルベンゼン、フロログリシン、4,6−ジメチル−2,4,6−トリ(4−ヒドロキシフェニル)ヘプタン−2、1,3,5−トリ(4−ヒドロキシフェニル)ベンゾール、2,2’−ビス−[4,4−(4,4’−ジヒドロキシジフェニル)シクロヘキシル]プロパン、α−メチル−α,α’,α’−トリス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジエチルベンゼン、トリ−(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、2,4−ビス(4−ヒドロキシフェニルイソプロピル)フェノール、2,6−ビス(2−ヒドロキシ−5’−メチルベンジル)−4−メチルフェノール、2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−(2,4−ジヒドロキシフェニル)プロパン、ヘキサ−(4−(4−ヒドロキシフェニルイソプロピル)フェニル)テレフタル酸エステル、テトラ−(4−ヒドロキシフェニル)メタン、テトラ−(4−(4−ヒドロキシフェニルイソプロピル)フェノキシ)メタン、1,4−ビス(4’,4’’−ジヒドロキシ−トリフェニル)メチルベンゼン、2,4−ジヒドロキシ安息香酸、トリメシン酸、3,3−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−2−オキソ−2,3−ジヒドロインドール、トリメシン酸トリクロリド、α,α’,α’’−トリス(4−ヒドロキシフェノール)−1,3,5−トリイソプロピルベンゼン、トリメリット酸、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸、ピロメリット酸、C−Si−(O−Si(CH−C−C−OH)、CH−Si−(O−Si(CH−C−C−0H)等が挙げられ、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンと、4−[4−[1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エチル]−α,α−ジメチルベンジル]フェノールが最も好ましい。
多官能化合物の使用量は、芳香族ジヒドロキシ化合物に対して0.1〜0.95モル%であることが好ましく、0.2〜0.8モル%であることが好ましく、特に好ましくは0.3〜0.6モル%である。多官能化合物の使用量が0.95モル%以下である場合にはフィッシュアイの増加が起こり難くなり、0.1モル%以上である場合には溶融張力を増加できる。
エステル交換法とは、上記化合物を触媒の存在下もしくは非存在下で、減圧下及び/又は不活性ガスフロー下で加熱しながら溶融状態でエステル交換反応にて重縮合する方法をいい、その重合方法、装置等には制限はない。例えば、攪拌槽型反応器、薄膜反応器、遠心式薄膜蒸発反応器、表面更新型二軸混練反応器、二軸横型攪拌反応器、濡れ壁式反応器、自由落下させながら重合する多孔板型反応器、ワイヤーに沿わせて落下させながら重合するワイヤー付き多孔板型反応器等を用い、これらを単独で、又は組み合わせることで容易に製造できる。また、これらの反応器の材質に特に制限はないが、反応器の少なくとも内壁面を構成する材質は、通常ステンレススチールやニッケル、ガラス等から選ばれる。
本実施形態における分岐ポリカーボネートの製造方法において、反応温度(重合温度)の範囲は、実用的な反応速度を得ること、上記一般式(3)、(4)で表される繰り返し単位の生成を抑制すること、及び、得られるポリカーボネートの着色及び熱安定性の観点から、50〜275℃が好ましく、100〜273℃がより好ましく、130〜273℃が更に好ましく、150〜270℃が特に好ましい。本発明においては、まず攪拌槽型重合器で溶融プレポリマーを製造し、その得られた溶融プレポリマーを、自由落下させながら重合する多孔板型反応器、及びワイヤーに沿わせて落下させながら重合するワイヤー接触流下式重合器を使用して更に重合することが好ましい。これらの製造方法についは、例えば米国特許第5589564号等を参照することができる。
本実施形態においては、まず芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを溶融縮合させてポリカーボネートプレポリマー(溶融プレポリマー)を製造する。分岐ポリカーボネートのフィッシュアイの数、耐衝撃性、機械的強度、多官能化合物の分散等に起因するフィッシュアイの数、及び、成形性の改善の観点から、多官能化合物は、ポリカーボネートプレポリマーの数平均分子量(Mn)が1000〜7000になった時点で配合することが好ましく、より好ましくはMn=1500〜6000になった時点で、更に好ましくはMn=1800〜5000になった時点で配合する。
重合反応の進行にともなって、芳香族モノヒドロキシ化合物が生成してくるが、これを反応系外へ除去する事によって反応速度が高められる。従って、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素や低級炭化水素ガス等、反応に悪影響を及ぼさない不活性なガスを導入して、生成してくる芳香族モノヒドロキシ化合物をこれらのガスに同伴させて除去する方法や、減圧下に反応を行う方法等が好ましく用いられる。好ましい反応圧力は、生成物の分子量によっても異なり、重合初期には10mmHg〜常圧が好ましく、重合後期には、20mmHg以下、特に10mmHg以下が好ましく、特に最終重合器においては5mmHg以下が好ましい。
本実施形態の分岐ポリカーボネートは、実質的に塩素原子を含有していないことが好ましい。国際公開第2005/121210号パンフレットなどに記載されているように、本エステル交換法では、実質的に塩素原子を含有していない芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルと多官能化合物とから分岐ポリカーボネートを製造した場合には、塩素を含有する他の化合物を添加しない限り、塩素原子含有量が10ppb以下、好ましくは1ppb以下の分岐ポリカーボネートを得ることができる。
本実施形態の分岐ポリカーボネートのASTM D1238の方法で、温度300℃、荷重1.2kgで測定したMI(メルトインデックス)は、成形性の観点から、0.5〜7g/10minが好ましい。より好ましくは1〜6g/10minであり、更に好ましくは2〜4g/10minの範囲である。MIが0.5〜7g/10minの範囲の場合、成形性とドローダウン特性が一層向上する。
本実施形態の分岐ポリカーボネートは、厚さ50μm、幅30cmのフィルムを成形したとき、任意の箇所における長さ1m中、大きさが300μm以上のフィッシュアイの数が100個以下であり、好ましくは80個以下、更に好ましくは60個以下である。フィッシュアイの個数は、実際の容器(水ボトル等)を成形して数えてもよいが、水ボトルは一般的にシボ加工がしてある部分があり平滑な部分の面積が少ないことと、フィルムと比較して肉厚が厚いことにより、フィルムを成形して評価するほうが好ましい。
本実施形態の分岐ポリカーボネートから成形される容器は、底面に平行な面に沿って厚みを測定し、最大の厚さを最小の厚さで除した値の範囲は1.0以上2.0未満であることが好ましい。この値が2.0以上の場合は、容器の偏肉が大きいことを示し、容器が変形したり、耐衝撃強度が低下したりしやすくなる。上記厚みは、容器の口と底面との中心部を結ぶ直線に対し、直交する面内における厚みのばらつきを測定したものである。
本実施形態の分岐ポリカーボネートの色相(b値)は、0〜3.0であり、好ましくは0〜2.5、更に好ましくは0〜1.5である。
本実施形態の分岐ポリカーボネートの色相の測定は、バレル温度300℃、金型温度90℃で、厚さ3.2mmの平板を射出成形し、コニカミノルタ社製 CR−400を用い、白色校正板の上に載せて測定径8mmで反射法で測定し、白色校正板とのb値の差(平板のb値=平板を白色校正板に載せての測定値−白色校正板の測定値)で求めることができる。
分岐ポリカーボネート中の分岐構造(a)及び(b)は、該分岐ポリカーボネートを完全加水分解して、逆相液体クロマトグラフィーを用いて定量することができる。ポリカーボネートの加水分解はPolymer Degradation and Stability 45(1994),127〜137 に記載されているような常温での加水分解法が、操作が容易で分解過程での副反応もなく、完全にポリカーボネートを加水分解できるので好ましく、本発明においては室温(25℃)で行うことができる。
本実施形態の分岐ポリカーボネートには、必要に応じて着色剤、耐熱安定剤、酸化防止剤、耐候剤、紫外線吸収剤、離型剤、滑剤、帯電防止剤、可塑剤等を添加して用いてもよい。更に、これら添加剤等は、重合終了後のポリカーボネート系樹脂が溶融状態の間に添加してもよいし、ポリカーボネートを一旦ペレタイズした後、添加剤を添加再溶融混練してもよい。
以下、図1を参照しながら、本発明の分岐ポリカーボネートを製造する一つの実施形態を説明する。
図1に示す分岐ポリカーボネートの製造システムは、攪拌槽型第一重合器3A,3Bを有する第一攪拌重合工程、攪拌槽型第二重合器3Cを有する第二攪拌重合工程、及び、攪拌槽型第三重合器3Dを有する第三攪拌重合工程、並びに、ワイヤー接触流下式第一重合器108Aを有する第一ワイヤー接触流下式重合工程、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bを有する第二ワイヤー接触流下式重合工程から構成される。
攪拌槽型重合器3A〜3Dは、それぞれ、重合原料用入口1A,1B若しくはプレポリマー用入口1C,1D、ベント口2A〜2D、出口5A〜5D、及び、アンカー型攪拌翼を有する攪拌機6A〜6Dを備える。並列に設置された攪拌槽型第一重合器3A及び3Bに、重合原料のうち芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとが投入され、バッチ方式で第一攪拌重合工程が行われる。生成した溶融プレポリマー4A及び4Bは、移送配管を通じて攪拌槽型第二重合器3Cに、プレポリマー用入口1Cから投入される。このとき、溶融プレポリマー4A及び4Bの移送には、移送経路の途中に設置された移送ポンプ8を必要に応じて使用してもよい。更に、第二攪拌重合工程で重合を進めた溶融プレポリマー4Cは、攪拌槽型第二重合器3Cの出口5Cに設けた移送ポンプ7Cにより押し出され、移送配管を通じて攪拌槽型第三重合器3Dに、プレポリマー用入口1Dから投入される。このように、第二及び第三攪拌重合工程は連続的に行われる。
第三攪拌重合工程で生成した溶融プレポリマー4Dは、攪拌槽型第三重合器3Dの出口5Dから移送ポンプ7Dにより押し出され、移送配管を通じて、ワイヤー接触流下式第一重合器108Aへ移送される。
次に、第一及び第二ワイヤー接触流下式重合工程が、ワイヤー接触流下式第一及び第二重合器108A,108Bにおいて連続的に行われる。ワイヤー接触流下式第一及び第二重合器108A,108Bにはそれぞれ、プレポリマー用入口101A,101B、多孔板102A,102B、ワイヤー状ガイド103A,103B、ガス供給ポート104A,104B、ベント口105A,105B、及び、出口107A,107Bが設けられている。
プレポリマー用入口101Aから投入された溶融プレポリマー4Dは、ワイヤーに接触して流下しがら重合が進行し、溶融プレポリマー109Aが、ワイヤー接触流下式第一重合器108A内の下部に蓄積する。溶融プレポリマー109Aは、出口107Aから移送ポンプ106Aにより押し出され、移送配管を通じて、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bのプレポリマー用入口101Bへ移送される。
ここで、107Aと101Bの間に設けられた投入口(図示しない)より多官能化合物が投入される。ワイヤー接触流下式第二重合器108Bに投入された溶融プレポリマー109Aは、ワイヤー接触流下式第一重合器108Aと同様に、ワイヤーに接触して流下しがら重合が進行し、溶融ポリマー109Bが、ワイヤー接触流下式第二重合器108B内の下部に蓄積する。溶融ポリマー109Bは、出口107Bから排出ポンプ106Bにより排出され、分岐ポリカーボネートとして回収される。
多官能化合物を投入する際、多官能化合物を溶融状態で添加してもよく、粉体であれば溶剤に溶かした状態で添加してもよい。フィッシュアイの低減や耐熱水性の向上のためには多官能化合物を溶融状態や溶剤に溶かした状態で添加することが好ましく、溶剤に溶かした状態で添加することが特に好ましい。多官能化合物を溶解する溶剤としては、フェノール類、炭酸ジエステル類、ケトン類、エーテル類、芳香族ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの混合物及び反応物、並びに数平均分子量5000以下の低分子量ポリカーボネート等のプラント内に存在する化合物であることが好ましい。これらの化合物を溶剤として用いると、得られる分岐ポリカーボネートを成形して得られる容器の耐衝撃性が優れる。その理由は明確ではないが、これら化合物を溶剤として用いた場合には、ポリカーボネートの解重合を引き起こすので多官能化合物の分散がより進行するためではないかと推定している。その場合、ポリカーボネートの分子量が一旦解重合によって低下することになり、低下量が大きすぎると生産上好ましくないため、分子量低下の割合を50%未満、より好ましくは30%未満になるように溶剤量を決定することが好ましい。また、多官能化合物を溶解する溶剤としては、メタノール、エタノール、アセトン、塩化メチレン等の汎用溶剤に溶解させた状態で添加することもできる。
なお、上記「多官能化合物を液体状態で」とは、上述のように、多官能化合物自体が溶融状態となっている状態、及び、多官能化合物を溶剤に溶解させた状態をいう。
本実施形態においては、下記式(I)で定義されるΔT(℃)の範囲が、得られる分岐ポリマーの衝撃強度、色相、ゲルの発生の面から、−20℃〜20℃であることが好ましい。
ΔT = T − T (I)
ここで、Tは(C)工程における最終重合器に導入される低分子量ポリカーボネートの温度(℃)を示し、Tは(C)工程における最終重合器により重合された分岐ポリカーボネートの温度(℃)を示し、Tは285℃以下である。
ここで、Tは、250℃〜285℃が好ましく、260℃〜275℃が更に好ましい。また、上記「最終重合器」とは、分岐ポリカーボネートのMIが10g/10min以下になるまで反応を行う重合器をいう。
一般的な溶融重合法では、本実施形態の(C)工程に相当する最終重合器内において分子量の増加と共にポリマーの粘度が上がっていくために、反応器の温度をかなり上げて粘度を下げる必要がある。これに対し、本実施形態の方法では、最終重合器に縦型の重合器を用いることにより、これまで得ることのできなかった高粘度でありながら物性、品質に極めて優れた分岐ポリカーボネートを得ることが可能となる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
各項目の評価は以下の方法で測定した。
(1)数平均分子量:ゲルパーミュエーションクロマトグラフィー(東ソー社製HLC−8320GPC、TSK−GEL Super Multipore HZ−M 2本、RI検出器)を用いて、溶離液テトラヒドロフラン、温度40℃で測定した。分子量は、標準単分散ポリスチレン(VARIAN社製EasiVial)の較正曲線から下式による換算分子量較正曲線を用いて求めた。
PC=0.3591MPS 1.0388
(式中、MPCはポリカーボネートの分子量、MPSはポリスチレンの分子量である。
(2)MI(メルトインデックス):MIはASTM D1238の方法で、温度300℃、荷重1.2kgで測定した。
(3)分岐構造の量:分岐ポリカーボネート55mgをテトラヒドロフラン2mlに溶解した後、5規定の水酸化カリウムメタノール溶液を0.5ml添加し、25℃で2時間攪拌して完全に加水分解した。その後、濃塩酸0.3mlを加え、逆相液体クロマトグラフィー(LC−1100 Agilent社製)で分岐構造の量を測定した。逆相液体クロマトグラフィーは、Inertsil ODS−3カラム(登録商標:GLサイエンス社製)、溶離液としてメタノールと0.1%リン酸水溶液からなる混合溶離液を用い、カラムオーブンは40℃、メタノール/0.1%リン酸水溶液比率を20/80からスタートし、100/0までグラジエントする条件下で測定した。検出は波長300nmのUV検出器を用いて行い、標準物質の吸光係数から定量した。
(4)色相:バレル温度300℃、金型温度90℃で、厚さ3.2mmの平板を射出成形し、コニカミノルタ社製 CR−400を用い、白色校正板の上に載せて測定径8mmで反射法で測定し、白色校正板とのb値の差(平板のb値=平板を白色校正板に載せての測定値−白色校正板の測定値)で求めた。
(5)フィッシュアイ:田辺プラスチック機械社製フィルム成形機(30mmφ単軸、スクリュー回転数100rpm、バレル温度280℃、Tダイ温度260℃、ロール温度120℃)で厚さ50μm、幅30cmのフィルムを成形し、任意の長さ1m中の、大きさが300μm以上のフィッシュアイの数を目視で数えた。
(6)成形性:日精ASB社製インジェクションブロー成形機 ASB−650EXHSを使用して、バレル温度295℃、金型温度コア60℃、キャビティ30℃で、5ガロン水ボトル(直径約25cm、高さ約50cm)を射出ブロー成形し、水ボトルの偏肉の有無について評価した。偏肉は、水ボトル胴体のシボ加工をしていない部分(底から12cmと25cmの部分)を水平方向(円周上に)に沿って等間隔に32箇所厚みを測定し、それぞれの箇所で(最大厚さ/最小厚さ)の値で評価した。(A:最大厚さ/最小厚さが1.0〜2.0未満、B:最大厚さ/最小厚さが2.0〜5.0未満、C:最大厚さ/最小厚さが5.0以上あるいはボトルに破れ有り)
(7)耐衝撃強度
(7−a)ボトル強度:上記(6)で成形した水ボトルに水を満たし、同じボトルを1.5mの高さより、上、下、斜め上、斜め下の4方向より落下させて割れの有無を評価した。(A:割れ無し、C:割れあり、−:ボトルが成形できなかったので評価不能)
(7−b)シャルピー強度:ISO 306に準拠し、バレル温度300℃、金型温度90℃で試験片を射出成形で作成し、ノッチ入りで試験した。
<実施例1>
図1に示すような製造システムを用いて、ポリカーボネートを製造した。攪拌槽型第一重合器3A及び3Bは内容積100リットルでアンカー型攪拌翼を有する攪拌機6A,6Bを備える。攪拌槽型第二重合器3C及び攪拌槽型第三重合器3Dは容積50リットルでアンカー型攪拌翼を有する攪拌機6C,6Dを備える。ワイヤー接触流下式第一及び第二重合器108A,108Bは孔を5個有する多孔板102A,孔を3個有する多孔板102Bと1mm径長さ8mのSUS316L製ワイヤー状ガイド103A,103Bを保有する。攪拌槽型第一重合器3A及び3Bは交互に切り替えて使用され、攪拌槽型第二重合器3C以降は連続で使用される。
芳香族ジヒドロキシ化合物としてのビスフェノールA及び炭酸ジエステルとしてのジフェニルカーボネート(対ビスフェノールAモル比1.06)よりなる重合原料80kgと、触媒としてビスフェノールAのジナトリウム塩(ナトリウム原子換算で、重合原料中のビスフェノールAに対して70重量ppb)とを、重合原料用入口1Aから撹拌槽型第一重合器3Aに仕込んだ。反応温度は180℃、反応圧力は大気圧で、窒素ガス流量は1リットル/hrで攪拌した。4時間後出口5Aを開き、溶融プレポリマー4Aを流量5リットル/hrで撹拌槽型第二重合器3Cへ供給した。
その後、攪拌槽型第一重合器3Aと同様に攪拌槽型第一重合器3Bを運転して、溶融プレポリマー4Bを得た。攪拌槽型第一重合器3Aが空になった後、攪拌槽型第一重合器3Aの出口5Aを閉じて攪拌槽型第一重合器3Bの出口5Bを開き、溶融プレポリマー4Bを流量5リットル/hrで攪拌槽型第一重合器3Bから攪拌槽型第二重合器3Cに供給した。これを繰り返すことで、溶融プレポリマー4A及び4Bを交互に攪拌槽型第二重合器3Cに連続的に供給した。
攪拌槽型第二重合器3Cは反応温度230℃、反応圧力13.3kPaに保持され、溶融プレポリマー4Cを得た。溶融プレポリマー4Cの容量が20リットルに達した後、内容量20リットルを一定に保つように、溶融プレポリマー4Cの一部を連続的に抜き出し攪拌槽型第三重合器3Dに供給した。
攪拌槽型第三重合器3Dは反応温度265℃、反応圧力2.66kPaに保持され、溶融プレポリマー4Dを得た。溶融プレポリマー4Dの容量が20リットルに達した後、内容量20リットルを一定に保つように、溶融プレポリマー4Dの一部を抜き出し連続的にワイヤー接触流下式第一重合器108Aに供給した。
ワイヤー接触流下式第一重合器108Aは反応温度265℃、反応圧力800Paに保持され、溶融プレポリマー109Aを得た。溶融プレポリマー109Aの容量が10リットルに達した後、10リットルの容量を保つように、溶融プレポリマー109Aの一部を抜き出しワイヤー接触流下式第二重合器108Bに連続的に供給した。
ワイヤー接触流下式第一重合器108Aの出口107Aとプレポリマー用入口101Bとの間より、多官能化合物である1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンを、溶融プレポリマー109A中のビスフェノールAに対してモル比0.004の量で連続的に添加した。
ワイヤー接触流下式第二重合器108Bは反応温度265℃、反応圧力120Paに保たれ、分岐ポリカーボネート109Bを得た。分岐ポリカーボネート109Bの容量が10リットルに達した後、10リットルの容量を保つように、排出ポンプ106Bを用い出口107Bからストランドとして連続的に抜き出し、冷却後切断してペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<実施例2>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.003としたこと、溶融プレポリマー4Aを、流量3リットル/hrで50リットルの容積を持つ撹拌槽型第二重合器3Cへ供給したこと、及び、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を250Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<実施例3>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.005としたこと、溶融プレポリマー4Aを、流量3リットル/hrで50リットルの容積を持つ撹拌槽型第二重合器3Cへ供給したこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応温度を255℃としたこと、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を150Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<実施例4>
多官能化合物を4−[4−[1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エチル]−α,α−ジメチルベンジル]フェノールとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<実施例5>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.003としたこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応温度を269℃としたこと、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を180Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<実施例6>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.0025としたこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応温度を272℃としたこと、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を200Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例1>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.003としたこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応温度を285℃としたこと、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を500Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例2>
多官能化合物を無添加としたこと、溶融プレポリマー4Aを、流量3リットル/hrで50リットルの容積を持つ撹拌槽型第二重合器3Cへ供給したこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応温度を285℃としたこと、及び、ワイヤー接触流下式第二重合器108Bの反応圧力を800Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例3>
多官能化合物を無添加としたこと以外は、実施例3と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例4>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.013としたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例5>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.001としたこと以外は、実施例3と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例6>
多官能化合物を無添加としたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例7>
多官能化合物としての1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタンの量を対ビスフェノールAモル比0.003としたこと、重合器108Bの代わりに横型重合器を設置したこと、設置攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、横型重合器の反応温度を285℃としたこと、及び、横型重合器の反応圧力を150Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
<比較例8>
多官能化合物を無添加としたこと、溶融プレポリマー4Aを、流量3リットル/hrで50リットルの容積を持つ撹拌槽型第二重合器3Cへ供給したこと、重合器108Bの代わりに横型重合器を設置したこと、攪拌槽型第三重合器3D、ワイヤー接触流下式第一重合器108A、横型重合器の反応温度を285℃としたこと、及び、横型重合器の反応圧力を200Paとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ペレット状の分岐ポリカーボネートを得た。
上記実施例1〜6及び比較例1〜8について、各種測定値をそれぞれ表1及び表2にまとめた。
Figure 0005259017
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本発明は、エステル交換法で製造された分岐ポリカーボネートであって、耐衝撃性に優れ、フィッシュアイが少なく、優れた色相と成形性を有し、ブロー成形、押出成形、異型押出、特に大型の水ボトルなどの容器を成形するブロー成形に好適に使用できる分岐ポリカーボネートを提供するものである。
1A,1B…重合原料用入口、1C,1D…プレポリマー用入口、2A,2B,2C,2D,105A,105B…ベント口、3A,3B…攪拌槽型第一重合器(A)、(B)、3C…攪拌槽型第二重合器(C)、3D…攪拌槽型第三重合器(D)、4A,4B,4C,4D,109A…溶融プレポリマー、5A,5B,5C,5D,107A,107B…出口、6A,6B,6C,6D…攪拌機、7C,7D,8,106A…移送ポンプ、101A,101B…プレポリマー用入口、102A,102B…多孔板、103A,103B…ワイヤー状ガイド、104A,104B…ガス供給ポート、106B…排出ポンプ、108A…ワイヤー接触流下式第一重合器、108B…ワイヤー接触流下式第二重合器、109B…溶融ポリマー。

Claims (6)

  1. 炭酸ジエステルに対する反応性のある官能基を分子中に3つ以上有する多官能化合物由来の分岐を有する分岐ポリカーボネートであって、
    下記一般式(1)で表される繰り返し単位を主鎖及び分岐鎖に有し、
    該主鎖及び分岐鎖に直接結合した前記多官能化合物由来の分岐構造(a)と、下記一般式(2)、(3)及び(4)で表される分岐構造からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む分岐構造(b)とを含有し、
    下記一般式(1)で表される繰り返し単位の物質量に対する前記分岐構造(a)と前記分岐構造(b)との合計物質量の割合が0.2〜1.0モル%であり、
    前記分岐構造(a)と前記分岐構造(b)との合計物質量に対する前記分岐構造(b)の物質量の比が0.1〜0.6であり、
    前記分岐構造(b)の物質量に対する下記一般式(2)で表される分岐構造の物質量の比が0.5以上である分岐ポリカーボネート。
    Figure 0005259017
    Figure 0005259017
    Figure 0005259017
    Figure 0005259017
    [式(1)、(2)、(3)及び(4)中、Arは2価の芳香族残基、Ar’は3価の芳香族残基を示す。]
  2. 前記分岐構造(b)の物質量に対する前記一般式(4)で表される分岐構造の物質量の比が0.25以下である請求項1に記載の分岐ポリカーボネート。
  3. 前記多官能化合物は、フェノール性水酸基及び/又はカルボキシル基を3つ以上有する化合物である、請求項1又は2に記載の分岐ポリカーボネート。
  4. 前記多官能化合物は、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン及び/又は4−[4−[1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エチル]−α,α−ジメチルベンジル]フェノールであり、
    前記一般式(2)、(3)及び(4)で表される分岐構造は、それぞれ下記式(5)、(6)及び(7)で表される分岐構造である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の分岐ポリカーボネート。
    Figure 0005259017
    Figure 0005259017
    Figure 0005259017
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の分岐ポリカーボネートをブロー成形して得られる容器。
  6. 底面に平行な面に沿って厚みを測定し、最大の厚さを最小の厚さで除した値の範囲が1.0以上2.0未満である、請求項5に記載の容器。
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