JP6034623B2 - 重合触媒組成物の製造方法及び重合触媒組成物 - Google Patents
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Description
なお、本明細書において、「重合体」とは、「ポリマー」のみならず、「オリゴマー」も含む概念である。
ゴム組成物の低発熱性、耐摩耗性、強度等を向上するために、ゴム成分(重合体)にカーボンブラックを配合する技術は広く行われてきた。例えば、特許文献1には、ジエン系ゴム(重合体)にカーボンブラックと有機過酸化物を配合し、混練してカーボンブラックマスターバッチを得て、該カーボンブラックマスターバッチに他の添加剤を配合して混練するゴム組成物の製造方法が開示されている。
また、特許文献2では、合成ジエン系ゴムにおいて、カーボンブラック及びシリカとの親和性を高めた重合体をゴム組成物として使用している。また、特許文献3には、極性基含有単量体をグラフト重合した変性天然ゴムに、該変性天然ゴムに対する反応性の高いカーボンブラックを配合する方法が記載されている。
本発明は、長時間の混練工程を要さず、カーボンブラックの特性(低発熱性、耐摩耗性)を付与した重合体組成物を製造するために、カーボンブラックを付加した重合体または重合体を付加したカーボンブラックを提供可能な重合触媒組成物の製造方法を提供することを目的とする。
なお、以下、カーボンブラックを付加した重合体を「カーボンブラック付加重合体」、重合体を付加したカーボンブラックを「変性カーボンブラック」とも表記する。
AlR 1 R 2 R 3 ・・・ (Xa)
(式中、R 1 及びR 2 は、炭素数1〜10の炭化水素基又は水素原子で、R 3 は炭素数1〜10の炭化水素基であり、但し、R 1 ないしR 3 は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい)で表される化合物を含む第2要素と、カーボンブラックを含み、含水率が0.05重量%以上である第3要素とを用い、前記第2要素と前記第3要素とを混合熟成させた後に、前記第1要素を添加し反応させることを特徴とする。
MX2・Lw ・・・ (i)
MX3・Lw ・・・ (ii)
(式中、Mは、ランタノイド元素、スカンジウム又はイットリウムを示し、Xは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルコキシド基、チオラート基、アミド基、シリル基、アルデヒド残基、ケトン残基、カルボン酸残基、チオカルボン酸残基、リン化合物残基、無置換又は置換のシクロペンタジエニル、若しくは無置換又は置換のインデニルを示し、Lは、ルイス塩基を示し、wは、0〜3を示す)で表される錯体を含む。
好適には、前記希土類元素含有化合物又は希土類元素化合物とルイス塩基の反応物は、希土類元素と炭素との結合を有さないものとする。
本発明にかかる重合触媒組成物の製造方法における第1要素は、希土類元素含有化合物である。第1要素は、希土類元素含有化合物として、希土類元素化合物又は該希土類元素化合物とルイス塩基との反応物を含む。ここで、希土類元素化合物及び該希土類元素化合物とルイス塩基との反応物は、希土類元素と炭素との結合を有さないのが好ましい。該希土類元素化合物及び希土類元素化合物とルイス塩基との反応物が希土類元素−炭素結合を有さない場合、化合物が安定であり、取り扱いやすい。ここで、希土類元素化合物とは、周期律表中の原子番号57〜71の元素から構成されるランタノイド元素又はスカンジウムもしくはイットリウムを含有する化合物である。なお、ランタノイド元素の具体例としては、ランタニウム、セリウム、プラセオジム、ネオジウム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミニウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムを挙げることができる。第1要素は、一種単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
希土類元素含有化合物としては、下記の希土類元素含有化合物または第2の希土類元素含有化合物を好適に使用することができる。
上記希土類元素含有化合物は、下記の構造を有するものとすることができる。希土類金属が2価もしくは3価の塩又は錯体化合物であることが好ましく、水素原子、ハロゲン原子及び有機化合物残基から選択される1種又は2種以上の配位子を含有する希土類元素含有化合物であることが更に好ましい。更に、上記希土類元素化合物又は該希土類元素化合物とルイス塩基との反応物は、好適には、下記一般式(i)又は(ii):
MX2・Lw ・・・ (i)
MX3・Lw ・・・ (ii)
(式中、Mは、ランタノイド元素、スカンジウム又はイットリウムを示し、Xは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルコキシド基、チオラート基、アミド基、シリル基、アルデヒド残基、ケトン残基、カルボン酸残基、チオカルボン酸残基、リン化合物残基、無置換若しくは置換のシクロペンタジエニル、または無置換若しくは置換のインデニルを示し、Lは、ルイス塩基を示し、wは、0〜3を示す)で表されることができる。
上記希土類元素含有化合物としては、下記一般式(I):
なお、重合反応系において、重合触媒組成物に含まれる錯体の濃度は0.1〜0.0001mol/Lの範囲であることが好ましい。
また、上記希土類元素含有化合物は、下記式(A):
RaMXbQYb ・・・ (A)
(式中、Rはそれぞれ独立して無置換もしくは置換インデニルを示し、該RはMに配位しており、Mはランタノイド元素、スカンジウム又はイットリウムを示し、Xはそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を示し、該XはM及びQにμ配位しており、Qは周期律表第13族元素を示し、Yはそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基又は水素原子を示し、該YはQに配位しており、a及びbは2である)で表されるメタロセン系化合物としてもよい(第3の希土類元素含有化合物)。
RaMXbQYb ・・・ (A)
(式中、Rはそれぞれ独立して無置換もしくは置換インデニルを示し、該RはMに配位しており、Mはランタノイド元素、スカンジウム又はイットリウムを示し、Xはそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を示し、該XはM及びQにμ配位しており、Qは周期律表第13族元素を示し、Yはそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基又は水素原子を示し、該YはQに配位しており、a及びbは2である)で表されることを特徴とする。上記メタロセン系化合物は、例えば予めアルミニウム触媒と複合させてなる触媒を用いることで、共重合体合成時に使用されるアルキルアルミニウムの量を低減したり、無くしたりすることが可能となる。なお、従来の触媒系を用いると、共重合体合成時に大量のアルキルアルミニウムを用いる必要がある。例えば、従来の触媒系では、金属触媒に対して10当量以上のアルキルアルミニウムを用いる必要があるところ、上記メタロセン系複合触媒であれば、5当量程度のアルキルアルミニウムを加えることで、優れた触媒作用が発揮される。
上記式(A)において、Rは、それぞれ独立して無置換インデニル又は置換インデニルであり、該Rは上記金属Mに配位している。なお、置換インデニル基の具体例としては、例えば、1,2,3−トリメチルインデニル基、ヘプタメチルインデニル基、1,2,4,5,6,7−ヘキサメチルインデニル基等が挙げられる。
上記式(A)において、Qは、周期律表第13族元素を示し、具体的には、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム等が挙げられる。
上記式(A)において、Xはそれぞれ独立して炭素数1〜20の炭化水素基を示し、該XはM及びQにμ配位している。ここで、炭素数1〜20の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、ステアリル基等が挙げられる。なお、μ配位とは、架橋構造をとる配位様式のことである。
上記式(A)において、Yは上記式(A)のXと同義であり、該YはQに配位している。
上記式(XV)において、CpRは、上記一般式(I)及び式(II)で表されるメタロセン錯体において、式中のCpRはと同様に定義され、好ましい例も同じである。なお、式(XV)における二つのCpRは、それぞれ互いに同一でも異なっていてもよい。
上記式(XV)において、RA及びRBは、上記式(A)のXと同義であり、RA及びRBは同一でも異なっていてもよい。該RA及びRは、M1及Alにμ配位している。なお、μ配位とは、架橋構造をとる配位様式のことである。
上記式(XV)において、RC及びRDは、上記式(A)のXと同義であり、RC及びRDは同一でも異なっていてもよい。
上記式(XVI)で表されるメタロセン錯体は、シリルアミド配位子[−N(SiR3)2]を含む。シリルアミド配位子に含まれるR基(RE〜RJ基)は、それぞれ独立して炭素数1〜3のアルキル基又は水素原子である。また、RE〜RJのうち少なくとも一つが水素原子であることが好ましい。RE〜RJのうち少なくとも一つを水素原子にすることで、触媒の合成が容易になる。更に、アルキル基としては、メチル基が好ましい。
上記式(XVI)で表されるメタロセン錯体は、更に0〜3個、好ましくは0〜1個の中性ルイス塩基Lを含む。ここで、中性ルイス塩基Lとしては、例えば、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジメチルアニリン、トリメチルホスフィン、塩化リチウム、中性のオレフィン類、中性のジオレフィン類等が挙げられる。ここで、上記錯体が複数の中性ルイス塩基Lを含む場合、中性ルイス塩基Lは、同一であっても異なっていてもよい。
また、上記式(XVI)で表されるメタロセン錯体は、単量体として存在していてもよく、二量体又はそれ以上の多量体として存在していてもよい。
本発明にかかる重合触媒組成物を構成する第2要素は、下記一般式(Xa):
AlR 1 R 2 R 3 ・・・ (Xa)
(式中、R1及びR2は、炭素数1〜10の炭化水素基又は水素原子で、R3は炭素数1〜10の炭化水素基であり、但し、上記R1ないしR3は同一又はそれぞれ異なっていてもよい)で表される有機金属化合物を含む。
本発明の重合触媒組成物を構成する第3要素は、カーボンブラックを含み、好適には、該カーボンブラックは、トルエン着色透過度が90%以上であって、水素放出率(質量%)とセチルトリメチルアンモニウムブロミド吸着比表面積(CTAB)(m2/g)が下記式(B):
水素放出率>0.260−6.25×10−4×CTAB ・・・ (B)
の関係を満たす。
本発明に係る重合触媒組成物は、第2要素と第3要素とを混合熟成させた後、第1要素を添加して反応させてなる。まず、溶媒中で第2要素と第3要素とを混合熟成させることにより、第2要素と第3要素の水分とが反応して、陰電荷を有する複合体(アニオン複合体)が形成される。この反応は、例えばアルキルアルミニウムと水との反応により、メチルアルミノキサンが生成されることが、S. Pasynkiewiczによりポリヘドロン、第9巻、第429〜453頁(1990年)で詳細に解説されていることから裏付けられる。その結果、第3要素のカーボンブラック近傍に第2要素を含むアニオン複合体が被膜を形成するかのごとく存在することになると想定される。
この状況下において、第1要素である希土類元素含有化合物を添加して反応させることにより、第1要素由来の希土類元素カチオン性化合物と第2要素、及び第2要素と第3要素との反応由来のカーボンブラック含有アニオン複合体が反応系内に生成することになる。
本発明に係る第1要素の希土類元素含有化合物の希土類元素は、通常3つの配位子が配位するが、条件によっては、アニオンの存在下で配位子の1つ以上を離してカチオン化する、という特性を有する。そのため、第2要素と第3要素を反応させてなるアニオン複合体と、第1要素とを反応させることで、第1要素がカチオン化し、次いで、前記アニオン複合体が生成されたカチオンと結合した状態となりやすい。
ここで、希土類元素カチオン性化合物を有する触媒組成物において、希土類元素にアルミニウム等の金属(ここではYとされる)が隣接する場合、触媒の活性中心は希土類元素ではなく、隣接する金属元素Y側に移行することが示されている(Y. Matsuura et al., “Polymerization via the Insertion of Ethylene into an Al−C Bond Catalyzed by Lanthanide(Gd, Sm) Metallocene Cations” 58th Symposium on Organomethallic Chemistry, Japan, Abstracts, The Kinki Chemical Society, Japan, 2011参照)。重合触媒組成物の場合、希土類元素ではなく、隣接する金属元素Yに重合反応の活性中心が移行し、Yにおいて目的物たる重合体が生成されることとなる。
本発明の重合触媒組成物においては、希土類元素が,カーボンブラック粒子上に被膜状で存在する金属元素Yと隣接した状態で存在することから、活性中心はカーボンブラック粒子上に移行し得る。これにより、重合反応はカーボンブラック粒子上の金属元素Yの位置で行われることとなり、カーボンブラックに非常に近接した重合体が生成されることとなる。一部の重合体は、カーボンブラックのポーラス上に入り込んた状態となり、カーボンブラック粒子と一体化する可能性もある。
このように、本発明の重合触媒組成物中では、第2要素由来の金属元素Yと、第3要素由来のカーボンブラックと重合体が、近接または一体化し、これにより、生成された重合体中にカーボンブラックが高度に分散した状態で存在し得る。
本発明の重合触媒組成物を用いることにより製造されるのは、カーボンブラック付加重合体または変性カーボンブラックである。本明細書において、カーボンブラック付加重合体とは、カーボンブラック付加重合体100重量部に占めるカーボンブラックの含有量が0重量部超50重量部未満のものを示す。一方、変性カーボンブラックとは、カーボンブラック粒子の表面に重合体が付加されたものを指し、変性カーボンブラック100重量部に占めるカーボンブラックの含有量が50重量部以上のものを示す。
カーボンブラック付加重合体または変性カーボンブラックの重合体部分については特に限定されるものではないが、特に、ポリブタジエン、ポリイソプレンの合成に用いるのが好ましい。
本発明の重合触媒組成物は、多様な重合体の製造に利用可能であるが、本明細書では、特に、本発明の重合触媒組成物を用いたポリブタジエンの合成について例示的に説明する。但し、以下に詳述する製造方法は、あくまで例示に過ぎない。前記ポリブタジエンは、上記重合触媒組成物の存在下、単量体としての1,3−ブタジエンを重合させることにより製造することができる。
窒素雰囲気下のグローブボックス中で、1L耐圧ガラス反応器にカーボンブラック15.0g(商品名:♯80、重量減少法により算出した含水率0.5重量%、旭カーボン株式会社製)、ノルマルヘキサン50.0g、トリメチルアルミニウム12.8mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)及びジイソブチルアルミニウムハイドライド3.2mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)を仕込み、室温で30分間混合熟成させた。次いで、ビス(2−フェニルインデニル)ガドリニウムビス(第1要素、ジメチルシリルアミド)[(2-PhC9H6)2GdN(SiHMe2)2]22mg(32μmol)を仕込み室温で30分間熟成させた。その後、グローブボックスから反応器を取り出し、1,3−ブタジエン80.0g(1.48mol)を含むノルマルヘキサン溶液320.0gを添加した後、65℃で300分間重合を行った。重合後、2,2’−メチレン−ビス(4−エチル−6−t−ブチルフェノール)(NS−5)5質量%のイソプロパノール溶液1mLを加えて反応を停止させ、さらに大量のメタノールで重合体を分離し、70℃で真空乾燥し重合体Aを得た。得られた重合体Aの収量は85.5gであった。
窒素雰囲気下のグローブボックス中で、1L耐圧ガラス反応器にカーボンブラック30.0g(商品名:♯80、重量減少法により算出した含水率0.5重量%、旭カーボン株式会社製)、ノルマルヘキサン50.0g、トリメチルアルミニウム12.8mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)及びジイソブチルアルミニウムハイドライド3.2mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)を仕込み、室温で30分間混合熟成させた。次いで、ビス(2−フェニルインデニル)ガドリニウムビス(第1要素、ジメチルシリルアミド)[(2-PhC9H6)2GdN(SiHMe2)2]22mg(32μmol)を仕込み室温で30分間熟成させた。その後、グローブボックスから反応器を取り出し、1,3−ブタジエン80.0g(1.48mol)を含むノルマルヘキサン溶液320.0gを添加した後、65℃で300分間重合を行った。重合後、2,2’−メチレン−ビス(4−エチル−6−t−ブチルフェノール)(NS−5)5質量%のイソプロパノール溶液1mLを加えて反応を停止させ、さらに大量のメタノールで重合体を分離し、70℃で真空乾燥し重合体Bを得た。得られた重合体Bの収量は98.5gであった。
窒素雰囲気下のグローブボックス中で、1L耐圧ガラス反応器にカーボンブラック50.0g(商品名:♯80、重量減少法により算出した含水率0.5重量%、旭カーボン株式会社製)、ノルマルヘキサン100.0g、トリメチルアルミニウム60.0mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)及びジイソブチルアルミニウムハイドライド15.0mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)を仕込み、室温で30分間混合熟成させた。次いで、トリスビストリメチルシリルアミドガドリニウム[Gd[N(SiMe3)2]3]21mg(32μmol)を仕込み室温で30分間熟成させた。その後、グローブボックスから反応器を取り出し、1,3−ブタジエン25.0g(0.46mol)を含むノルマルヘキサン溶液100.0gを添加した後、80℃で180分間重合を行った。重合後、2,2’−メチレン−ビス(4−エチル−6−t−ブチルフェノール)(NS−5)5質量%のイソプロパノール溶液1mLを加えて反応を停止させ、さらに大量のメタノールで重合体を分離し、70℃で真空乾燥し変性カーボンブラックCを得た。得られた変性カーボンブラックCの収量は55.5gであり、生成物中のカーボンブラック含有量は90重量%と算出された。
窒素雰囲気下のグローブボックス中で、1L耐圧ガラス反応器にカーボンブラック50.0g(商品名:♯80、重量減少法により算出した含水率0.5重量%、旭カーボン株式会社製)、ノルマルヘキサン60.0g、トリメチルアルミニウム20.0mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)及びジイソブチルアルミニウムハイドライド7.5mmol(第2要素、東ソーファインケム株式会社製)を仕込み、室温で30分間混合熟成させた。次いで、トリスビストリメチルシリルアミドガドリニウム[Gd[N(SiMe3)2]3]5mg(6.5μmol)を仕込み室温で30分間熟成させた。その後、グローブボックスから反応器を取り出し、1,3−ブタジエン5.0g(0.09mol)を含むノルマルヘキサン溶液20.0gを添加した後、80℃で120分間重合を行った。重合後、2,2’−メチレン−ビス(4−エチル−6−t−ブチルフェノール)(NS−5)5質量%のイソプロパノール溶液1mLを加えて反応を停止させ、さらに大量のメタノールで重合体を分離し、70℃で真空乾燥し変性カーボンブラックDを得た。得られた変性カーボンブラックDの収量は53.0gであり、生成物中のカーボンブラック含有量は94重量%と算出された。
実施例1においてカーボンブラックを用いないこと以外は同様の方法で重合を行ったところ、重合体は全く生成しなかった。
(1)ミクロ構造(3,4−ビニル結合量、シス−1,4結合量)
(1)ミクロ構造(シス−1,4結合量)
重合体A、Bのミクロ構造(シス−1,4結合量)を、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR)の透過率スペクトルを測定することにより算出した。具体的には、同一セルの二流が簡素のブランクとして、5mg/mLの濃度に調整した各重合体の二硫化炭素溶液のFT−IRによる透過率スペクトルを測定し、下記行列式(iii):
(シス−1,4結合量の計算値=e/(e+f+g)×100 ・・・(iv)
にしたがって、シス1,4結合量の計算値を求めた。
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー[GPC:東ソー製HLC−8121GPC/HT、カラム:東ソー製GMHHR−H(S)HT×2本、検出器:示差屈折率計(RI)]で単分散ポリスチレンを基準として、重合体のポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)を求めた。なお、測定温度は40℃である。溶出溶媒としては、テトラヒドロフラン(THF)を用いた。
Claims (4)
- 希土類元素含有化合物であり、希土類元素化合物又は該希土類元素化合物とルイス塩基との反応物を含む第1要素と、
下記一般式(Xa):
AlR 1 R 2 R 3 ・・・ (Xa)
(式中、R 1 及びR 2 は、炭素数1〜10の炭化水素基又は水素原子で、R 3 は炭素数1〜10の炭化水素基であり、但し、R 1 ないしR 3 は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい)で表される化合物を含む第2要素と、
カーボンブラックを含み、含水率が0.05重量%以上である第3要素とを用い、
前記第2要素と前記第3要素とを混合熟成した後、前記第1要素を添加して反応させる、ことを特徴とする重合触媒組成物の製造方法。 - 前記第1要素が、下記一般式(i)又は(ii):
MX2・Lw ・・・ (i)
MX3・Lw ・・・ (ii)
(式中、Mは、ランタノイド元素、スカンジウム又はイットリウムを示し、Xは、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルコキシド基、チオラート基、アミド基、シリル基、アルデヒド残基、ケトン残基、カルボン酸残基、チオカルボン酸残基、リン化合物残基、無置換又は置換のシクロペンタジエニル、若しくは無置換又は置換のインデニルを示し、Lは、ルイス塩基を示し、wは、0〜3を示す)で表される錯体を含む、請求項1に記載の重合触媒組成物の製造方法。 - 前記希土類元素化合物又は希土類元素化合物とルイス塩基との反応物は、希土類元素と炭素との結合を有さない、請求項1に記載の重合触媒組成物の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の重合触媒組成物の製造方法により製造された重合触媒組成物。
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