JP5712230B2 - 連続ヒドロシリル化のための方法 - Google Patents
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Classifications
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Description
(a)周壁と流れのために互いに接続される環状流路を有する2つの端部とで構成される回転対称混合室と、
(b)混合室への少なくとも1つの流入開口であって、化合物(A)が供給される流入開口と、
(c)混合室への少なくとも1つの流入開口であって、化合物(B)が供給される流入開口と、
(d)混合室の電磁結合によって駆動される混合ロータであって、端部に面取り部を対称的に配置させ、面取り部は、混合室の端部で環状流路を備える圧力セルを形成し、圧力セルは、混合ロータの通路穴を介して互いに接続される混合ロータと、
(e)混合室からの排出開口であって、反応混合物および/または生成物が反応混合ポンプから排出される排出開口と、
(f)外部加熱または冷却ユニットによって制御できる温度制御回路とを備える。
ロータの回転数は、外部の回転数変換器によって適切に制御され、本発明による方法の性能の場合は通常、毎分回転数が50〜50000である。
反応混合ポンプの反応量は通常、1〜1000cm3であり、好ましくは1〜100cm3、さらに好ましくは5〜100cm3である。
多量の目的生成物が必要である場合、反応混合ポンプ結合体(「数の増加」との意味において)として並列に接続された複数の反応混合ポンプを操作することも可能である。このために、反応混合ポンプはそれぞれ独立して連続して操作される反応混合ポンプをさらに含む装置で構成され、化合物(A)は化合物(B)と反応し、反応混合ポンプは同時にかつ独立して平行に動作可能である。そのような方法で動作する欠陥がある反応混合ポンプは、複雑性が比較的低い別のものに素早く置き換えられるため、そのような並列操作によって、生成物の大量生産のみならず高柔軟性も確保される。また、技術的問題が発生した場合に多量の反応物、反応混合物および生成物が漏れる危険性が回避されることから、大規模反応器の信頼性は回分式方法に比して確保される。
上記の反応混合ポンプは、質量移動工程および伝熱工程を加速し、反応の開始条件および境界条件を正確に設定することがさらに可能である。滞留時間は特定の正確度で設定でき、本発明に従って高発熱工程を実質的に等温的に操作することが可能である。
使用される化合物(A)は、炭素−炭素多重結合を有する化合物である。好適な炭素−炭素多重結合は、C=C二重結合およびC≡C三重結合であり、1または複数のC=C二重結合を有するそのような化合物の使用が好ましい。化合物(A)の炭素−炭素多重結合は化合物の末端に、あるいはそれ以外の位置に存在してもよく、末端の炭素−炭素多重結合が好ましい。特に、末端にC=C二重結合を含む化合物(A)が好ましい。化合物(A)は、複数の炭素−炭素多重結合を含んでもよく、単に1つの炭素−炭素多重結合、特に単に1つのC=C二重結合、さらに好ましくは末端に単に1つのC=C二重結合を有するのが好ましい。本発明に関連する炭素−炭素多重結合は、芳香族炭素−炭素結合ではない。たとえば、フェニルエテン(スチレン)では、本発明の意味の単に1つの炭素−炭素多重結合が存在し、すなわちスチレンにおけるビニル基のものである。
CH2=CR1−R2−R (I)
式中、R基は、1〜30の炭素原子を有する直鎖アルキル基または分枝アルキル基、5〜12の炭素原子を有するアリール基、6〜12の炭素原子を有するアラルキル基、ハロゲン、エポキシ、NCO、カルボキシル基またはシリル基であるか、あるいはX−R3基であり、XはO、SまたはNR4であり、R4は、水素または1〜30、好ましくは1〜20、さらに好ましくは1〜6の炭素原子を有する直鎖アルキル基もしくは分枝アルキル基であり、R3は水素または1〜30の炭素原子を有する直鎖アルキル基または分枝アルキル基、5〜12の炭素原子を有するアリール基、6〜12の炭素原子を有するアラルキル基またはCO−R5基であり、R5は、1〜30、好ましくは1〜20、さらに好ましくは、1〜6の炭素原子を有する分枝アルキル基もしくは非分枝アルキル基または分枝アルケニル基もしくは非分枝アルケニル基であり、あるいは、R基は、ポリエステル基、ポリエーテル基、ポリウレタン基、ポリエステルポリエーテル基、ポリウレタンポリエーテル基およびポリエステルポリウレタン基から成る群から選択される高分子基であり、高分子基は末端基としてX−R3基を有する。
R2は、R1とRが結合する炭素−炭素単結合であるか、あるいはR1とRを結合する分枝または直鎖基であり、1〜30、好ましくは1〜20、さらに好ましくは1〜6の炭素原子を有するアルキレン基、5〜12の炭素原子を有するアリール、たとえばフェニレン、6〜12の炭素原子を有するアラルキルから選択される。R2は、R1とRを結合する炭素−炭素単結合、メチレン基またはフェニレン基であるのが好ましい。
アルキル基、アリール基、アラルキル基もしくはアルキル基、アリール基、アラルキル基または高分子ラジカルは置換されてもよい。典型的な置換基は、たとえばフッ素などのハロゲン原子である。また、これらのラジカルは、O、SまたはNなどのヘテロ原子を含んでもよい。
Rが上記の高分子基の1つである場合、アリルアルコールCH2=CH−CH2−OH〔開始化合物として上記の式(I)のR1=H、R2=メチレンおよびR=OHに対応〕を最初に使用することによって導入することができる。
CH2=CH−CH2−O−[EO]v−[PO]w−H (Ia)
式中、EOは−CH2−CH2−Oラジカルであり、POは−CH2−CH(CH3)−Oまたは−CH(CH3)−CH2−Oラジカルであり、vは0〜200、好ましくは1〜100、さらに好ましくは5〜100の整数であり、wは0〜200、好ましくは1〜100、さらに好ましくは5〜100の整数であり、v+wは少なくとも1、好ましくは1〜300、さらに好ましくは5〜150、最も好ましくは10〜100である。
一方、得られる末端OH基は、イソシアネートと反応してウレタンとなり、カルボン酸またはその無水物、ハロゲン化物またはそのアルキルエステルと反応するとエステルとなり、ハロゲン化アルキルと反応してエーテルとなる。
直鎖ポリエーテルラジカルの代わりに、たとえば、独国公開特許第102008032064(A1)号明細書、独国公開特許第102008032066(A1)号明細書および独国公開特許第102006031152(A1)号明細書に記載されるように、グリシジル、カルボン酸グリシジルまたはヒドロキシオキセタンを使用することによっても、分枝構造を得ることが可能である。
アリルアルコールまたは式(Ia)の上記のOH−末端アリルポリエーテルから開始し、たとえば1または複数のラクトン、たとえばカプロラクトンまたはバレロラクトンの開環重合によってポリエステル鎖を形成することが可能である。また、ラクトンに対応するヒドロキシカルボン酸によっても可能である。ここで、少なくとも2つの異なるラクトンを使用する場合も、ランダムに、交互に、ブロックに、あるいは勾配配列に取り込むことができる。更なる好ましい実施形態では、ポリエステルラジカルはポリカーボネートラジカルである。
ポリウレタン基を導入するために、たとえば、末端NCO基を有し、アリルアルコールと反応するポリウレタンプレポリマーを最初に調製することが可能である。
本発明による方法で化合物(A)として使用可能な典型的な種は、独国特許出願公開第102008032064(A1)号明細書、独国特許出願公開第102008032066(A1)号明細書および独国特許出願公開第102006031152(A1)号明細書に示されるアリル化合物およびメタリル化合物である。
Si−H官能基含有化合物(B)は、一般式(II)のヒドロシランから選択されるのが好ましい。
H−Si(R6)m(R7)3-m (II)
式中、R6は、1〜6の炭素原子、好ましくは1〜4の炭素原子を有する分枝アルキル基または非分枝アルキル基であり、さらに好ましくはメチル基、エチル基またはプロピル基であり、
R7は、1〜6の炭素原子、好ましくは1〜4の炭素原子を有する分枝アルコキシ基または非分枝アルコキシ基であり、さらに好ましくはメトキシ基、エトキシ基またはプロポキシ基であるか、あるいは、R7はO(CO)R6ラジカルまたはハロゲン原子、好ましくは塩素であり、mは、0〜3、好ましくは0〜2、さらに好ましくは0または1である。
さらに/あるいは、Si−H官能基含有化合物(B)は、一般式(III)のSi−H官能基含有オルガノポリシロキサンである。
R9およびR10はそれぞれ、独立したR8またはHであり、R9およびR10の少なくとも1つはHである。
nは、0〜50000、好ましくは0〜10000、さらに好ましくは0〜5000、最も好ましくは1〜500または1〜200など0〜1000である。
化合物(B)として使用可能なSi−H官能基含有オルガノポリシロキサン類の典型例はポリメチルヒドロシロキサンである(R8はメチルであり、R9およびR10はメチルまたは水素であり、R9およびR10の少なくともの1つは水素であり、nは、0〜50000、好ましくは0〜10000、さらに好ましくは0〜5000、最も好ましくは1〜500または1〜200など0〜1000である)。
さまざまな化合物(A)および/または(B)を使用する場合、化合物(A)は反応混合ポンプの流入開口に、あるいは別々の流入開口を介して供給され、予備混合される。同じことが化合物(B)に適用される。
原料である一般式(III)のオルガノポリシロキサンが1または2つの末端Si−H官能基のみを含む(1または双方のR9がHであり、すべてのR10がHでないことを意味する)場合、化合物(A)との反応によって、いわゆる末端変性されたオルガノポリシロキサンが得られる。
原料である一般式(III)のオルガノポリシロキサンが1または複数の非末端Si−H官能基のみ含む(すなわち、双方のR9はHでなく、一つ以上のR10はHである)場合、化合物(A)との反応によって、いわゆる櫛形構造を有するオルガノポリシロキサンが得られる。
原料である一般式(III)のオルガノポリシロキサンが末端Si−H官能基および非末端Si−H官能基を含む(すなわち、1または双方のR9がHであり、少なくとも1つのR10がHである)場合、化合物(A)との反応によって、いわゆる櫛形構造を有する末端変性されたオルガノポリシロキサンが得られる。
別の実施形態では、化合物(A)および化合物(B)は、化合物(B)のSi−H官能基に対する化合物(A)の炭素−炭素多重結合の比がSi−H官能基が過剰量、特に10モル%超で存在するように選択される比で反応混合ポンプに供給されることが有利となりうる。この場合、最終生産物は依然としてSi−H官能基を含んでおり、たとえば下流の反応器、特に下流の反応混合ポンプで、第1のステップに使用される化合物(A)と異なる1または複数の化合物(A)とさらに反応する。このようにして、2つを超える反応器または反応混合ポンプを連続して操作することも可能である。
また、化合物(A)を過剰量で使用することも可能であり、すなわち、化合物(A)および化合物(B)は、化合物(B)のSi−H官能基に対する化合物(A)の炭素−炭素多重結合の比が過剰量、特に10モル%超で炭素−炭素多重結合が存在するように選択される比で反応混合ポンプに供給されることも可能である。
化合物(B)の供給によって反応器に導入されるSi−H官能基の通常は10〜100モル%、好ましくは20〜50モル%が反応混合ポンプで転化される。
反応器に存在する反応混合物の全体積比と、生成物が流れた状態で反応器から排出される反応混合物の全体積流量は、滞留時間の目安として見なすことができる。適切で比較的短い滞留時間によって、比較的高温であっても不要の副反応はわずかな程度でのみ認知可能であることを確実にする。
化合物(A)および化合物(B)はそれぞれ、入口温度が通常0〜200℃、好ましくは10〜150℃、さらに好ましくは20〜100℃の反応器に供給される。反応混合物の出口(反応器からの出口)温度とこの入口温度との差は、通常0〜200℃、好ましくは10〜150℃である。通常、外部から反応器内の反応混合物に加えられる熱による加熱出力は、1〜2000ワット/kg、好ましくは約100〜500ワット/kgである。
上に既に記載したように、これらの付加化合物は特定の均質で高品質(副生成物の分子量分布が狭く、比率が比較的低い)を特徴とする。
また、本発明は、上に記載する本発明による方法によって調製される変性されたケイ素化合物、特に添加剤として、たとえば引っかき抵抗性を改善するための物質として、潤滑油、消泡剤、泡安定剤、均染剤、界面活性剤、撥水剤または防土剤、たとえば落書き防止剤、分離剤または湿潤剤として、変性されたシラン類およびオルガノポリシロキサン類の使用に関する。しかし、たとえば重合体または樹脂の変性のために、あるいは顔料または充填剤の処理のために使用することもできる。
特に、自動車OEMでのレベリング剤として、または皮膜形成補助剤として、あるいは再仕上げ塗料系で使用する場合、本発明に従って調製された変性されたオルガノポリシロキサンは重要な役割を果たす。そのような高品質の系では、きわめて純粋な化合物を使用する必要があり、最小限の固有色を示す。これは無色クリアコートに関して特に当てはまる。本発明により得られる化合物は、必要最小量の触媒を使用するため、この前提条件を満たすことができる。
別の実施形態では、化合物(A)および化合物(B)から生成される反応生成物は、粘度が1000mPa・s超、好ましくは3000mPa・s超、さらに好ましく5000mPa・s超であり、消泡剤として好適である。
化合物(A)の式(I)のRが反応性基、たとえばイソシアネート基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、エポキシ基、シリル基またはアクリレート基である場合、変性されたポリオルガノシロキサンは、たとえば、コーティング組成物の成分の補足的反応性基または熱可塑性成形品もしくは熱硬化成形品の補足的な反応性基と反応できることから、コーティング系に共有的にまたはイオン的に取り込まれる。これに関連して、たとえば、結合剤のみならず顔料および充填剤などの固体を用いる反応器も可能でもある。
化合物(A)の式(Ia)のRは、主にEO基を含む場合、通常コーティング系結合剤との相溶性が良好である。しかし、そのような添加剤は、泡の安定化傾向もあるが、比較的非極性のPOユニットに取り込まれることによって抑制することができる。
一方、式(I)のRによるアリールまたはアルキル置換基を取り込むことによって、発泡傾向をさらに低下させることを可能にし、式(Ia)のポリエーテル変性化合物により、さらに頻繁に熱安定化が見られる。
変性された短鎖オルガノポリシロキサンは、たとえば、nは1〜6であり、式(Ia)の化合物で変性されており、通常、シリコーン界面活性剤とも呼ばれ、主に水系で使用される。シリコーン界面活性剤のなかで特に好まれているのは、式(III)のモノ−Si−H官能基含有化合物(B)から誘導可能なものである。
水分散液および/または溶媒分散液の添加剤、特に塗料などのコーティング組成物としての使用のほかに、顔料または充填剤などの粉状固体または繊維状固体を本発明による方法によって得られる生成物でコーティングすることがさらに可能である。
これにより最終的に、本発明は、本発明による方法によって得られる生成物でコーティングされた粉状固体または繊維状固体にも関する。
本発明による方法によって得られる生成物は、分散される固体に対して広範囲の可変量で使用され、使用量は固体の表面のサイズおよび性質に本質的に依存する。たとえば、カーボンブラックは二酸化チタンよりはるかに多量の添加剤を必要とする。欧州特許出願公開第0270126(A)号明細書は顔料および充填剤の例を含んでいる。他の例は、特にジケトピロロピロール類などの有機顔料の分野での新しい開発に基づいている。また、純鉄または混合酸化物による磁性顔料は、本発明による方法によって得られる生成物を用いて、分散液に取り込むことができる。さらに、炭酸カルシウムおよび酸化カルシウムなどの無機充填剤または水酸化アルミニウムもしくは水酸化マグネシウムなどの難燃化剤を分散させることも可能である。さらに、シリカなどの艶消剤も、分散され、安定化される。
実施例1(本発明)
ポリメチルヒドロシロキサン(Baysilon MH 15=Me 3 Si−[O−SiH(Me)] n −O−SiMe 3 、粘度(20℃)=15mPa・s)と1−オクテンの反応(櫛形構造を有する重合体の調製)
報告された粘度は、「NV」システムを備えるHaake VT550の回転式粘度計で測定し、20℃で0〜800mPa・sであった。
最初に、追加反応のため、HMR−40型の反応混合ポンプ(K Engineering社、ヴェストオーファーレーディンゲン、ドイツ)とHuber K25−CC−NR型のサーモスタットが持ち込まれ、運転温度を85℃にした。
運転温度に達したところで、ポンプ1および2によって、リザーバータンク1および2(1−オクテン:11.9g/分、Baysilon MH 15:6.3g/分)から反応混合ポンプの反応室に質量流を連続して流した。使用する白金触媒(Pt−ジビニルテトラメチルジシロキサン)を1−オクテンに予め溶解した。白金触媒の量は0.002重量%であった。
その結果、室温でわずかに粘性がある淡黄色の生成物が得られ、分析データは、重量平均分子量(DIN55672パート1に準ずるGPC、ただしWaters社製のStyragelカラムを用い、溶離剤:トルエン、ポリジメチルシロキサン標準物質によって測定)は約10000g/モル、ヨウ素価は7.5であった。
Alpol 2000 (CH 2 =CH−CH 2 −O[EO] x [PO] y −Me、粘度(20℃)=400mPa・s)とMe 3 Si−[O−SiH(Me)] n −[O−SiMe 2 ] m −O−SiMe 3 との反応
最初に、追加の反応のため、HMR−40型の反応混合ポンプ(K Engineering社、ヴェストオーファーレーディンゲン、ドイツ)とHuber K25−CC−NR型のサーモスタットが持ち込まれ、運転温度を100℃にした。
運転温度に達したところで、ポンプ1および2によって、リザーバータンク1および2(Alpol 2000:7.7g/分、Me3Si−[O−SiH(Me)]n−[O−SiMe2]m−O−SiMe3:2.3g/分)から反応混合ポンプの反応室に質量流を連続して流した。使用する白金触媒(Pt−ジビニルテトラメチルジシロキサン)をAlpol 2000に予め溶解した。白金触媒の量は0.01重量%であった。
反応混合ポンプは、周波数変換器によって最大可能回転速度の100%で動作させた。反応(連続5時間超)中、反応混合ポンプの反応空間で98〜105℃という温度が測定された。追加反応のため、温度調節された加熱浴内において、好適なポリテトラフルオロエチレンホースに反応混合物を流した。
この追加反応に使用したホースは、内径が6mm、長さが5mであった。システム全体の体積は約146ミリリットルであった。全体の反応時間は約15分であった。
その結果、室温で適度な粘性がある淡褐色の生成物が得られ、分析データは、重量平均分子量(DIN55672パート1に準ずるGPC、ただしWaters社製のStyragelカラムを用い、溶離剤:トルエン、ポリジメチルシロキサン標準物質によって測定)は約14050g/モル、IR分光分析法によって求めたSiHの転化率は100%であった。
したがって、高粘度反応物、たとえばAlpol 2000を使用する場合でも、超高品質の生成物が高空時収量で得ることができることが示された。
Claims (8)
- ヒドロシリル化によってシラン類および/またはオルガノポリシロキサン類を連続して調製するための方法であって、少なくとも1つの炭素−炭素多重結合を含む少なくとも1つの化合物(A)が、少なくとも1つSi−Hの官能基を有する少なくとも1つの化合物(B)と反応させ、前記反応は反応混合ポンプで行われ、
前記反応混合ポンプは、外面のホイール式ポンプであり、
(a)周壁と流れのために互いに接続される環状流路を有する2つの端部とで構成される回転対称混合室と、
(b)前記混合室への少なくとも1つの流入開口であって、前記化合物(A)が供給される流入開口と、
(c)前記混合室への少なくとも1つの流入開口であって、前記化合物(B)が供給される流入開口と、
(d)前記混合室の電磁結合によって駆動される混合ロータであって、端部に面取り部を対称的に配置させ、該面取り部は、前記混合室の端部で前記環状流路を備える圧力セルを形成し、前記圧力セルは、該混合ロータの通路穴を介して互いに接続される混合ロータと、
(e)前記混合室からの排出開口であって、前記反応混合物および/または生成物が前記反応混合ポンプから排出される排出開口と、
(f)外部加熱または冷却ユニットによって制御できる温度制御回路とを備えることを特徴とする方法。 - 前記反応混合ポンプは、(g)パージ液のための流入開口をさらに備える請求項1に記載の方法。
- 前記化合物(A)は、少なくとも1つの末端C=C二重結合または末端C≡C三重結合を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記C=C二重結合はビニル基、アリル基または(メタ)アクリロイル基の一部である請求項3に記載の方法。
- 前記化合物(A)は、一般式(I)
CH2=CR1−R2−R (I)
[式中、Rは、1〜30の炭素原子を有する直鎖または分枝アルキル基、5〜12の炭素原子を有するアリール基、6〜12の炭素原子を有するアラルキル基、ハロゲン、エポキシ、NCO、カルボキシル基またはシリル基であるか、あるいはX−R3基であり、XはO、SまたはNR4であり、R4は、水素または1〜30の炭素原子を有する直鎖もしくは分枝アルキル基であり、R3は水素または1〜30の炭素原子を有する直鎖または分枝アルキル基、5〜12の炭素原子を有するアリール基、6〜12の炭素原子を有するアラルキル基またはCO−R5基であり、R5は、1〜30の炭素原子を有する分枝もしくは非分枝アルキル基または分枝もしくは非分枝アルケニル基であり、あるいは
Rは、ポリエステル基、ポリエーテル基、ポリウレタン基、ポリエステルポリエーテル基、ポリウレタンポリエーテル基およびポリエステルポリウレタン基からなる群から選択される高分子基であり、高分子基は末端基としてX−R3基を有し、
R1は、水素、または、1〜4の炭素原子を有する直鎖あるいは分枝アルキル基であり、
R2は、単結合、あるいは分枝または直鎖基であり、1〜30の炭素原子を有するアルキレン基、5〜12の炭素原子を有するアリーレン基、および6〜12の炭素原子を有するアラルキレン基から選択される]
のものである前記請求項3又は4に記載の方法。 - 前記化合物(B)は、Si−H官能基含有シラン類およびSi−H官能基含有オルガノポリシロキサン類から選択されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記Si−H官能基含有シランは一般式(II)
H−Si(R6)m(R7)3−m (II)
[式中、R6は、1〜6の炭素原子を有する分枝または非分枝アルキル基であり、R7は、1〜6の炭素原子を有する分枝または非分枝アルコキシ基であり、あるいは、R7はO(CO)R6基またはハロゲン原子であり、mは0〜3である]
を有する請求項6に記載の方法。 - 前記Si−H官能基含有オルガノポリシロキサンは一般式(III)
を有する請求項6に記載の方法。
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