JP6089626B2 - ポリカーボネートの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光学特性、透明性、色相、耐熱性、熱安定性、機械的強度などに優れたポリカーボネートを、効率的かつ安定的に製造する方法、及び本方法を用いて製造した透明フィルムに関する。
ポリカーボネートは一般的にビスフェノール類をモノマー成分とし、透明性、耐熱性、機械的強度等の優位性を生かし、電気・電子部品、自動車用部品、光学記録媒体、レンズ等の光学分野等でいわゆるエンジニアリングプラスチックとして広く利用されている。
近年、フルオレン構造を側鎖に有するジヒドロキシ化合物から誘導された共重合ポリカーボネートが報告されており、特に脂肪族ジヒドロキシ化合物との共重合ポリカーボネートは光弾性係数が小さいなど、優れた光学特性を有することが示されている(特許文献1〜3)。また、特許文献3には、このフルオレン構造を含有するポリカーボネートからなる位相差フィルムは、光弾性係数が低い上、位相差が短波長になるほど小さくなる逆波長分散性を示すことから、位相差フィルムなどの光学用途に有用であることが開示されている。
上記のフルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物を用いた共重合ポリカーボネートを製造する際には、様々なジヒドロキシ化合物を原料として用いることが可能なエステル交換法または溶融法と呼ばれる方法で製造される。この方法では、ジヒドロキシ化合物とジフェニルカーボネート等の炭酸ジエステルを重合触媒の存在下、200℃以上の高温でエステル交換し、副生するフェノールを系外に取り除くことにより重合を進行させてポリカーボネートを得るため、高温下で行う重縮合反応中の熱分解により樹脂が着色する問題があった。
この問題を解決する方法の一つとして、例えば、芳香族炭酸ジエステル(化合物例:ジフェニルカーボネート)と芳香族モノヒドロキシカーボネート化合物の混合物を溶解する際に、さらに芳香族モノヒドロキシ化合物(化合物例:フェノール)、を使用することによって、原料が析出しない限り原料調製時の溶解温度を下げることが可能になり、その結果ポリカーボネートの着色を抑制する方法が知られている。(特許文献4参照)。しかし、この方法では、エステル交換反応でポリカーボネートを製造する際に副生し、同時に除去が必要な芳香族モノヒドロキシカーボネート化合物を、原料調製時に添加することになり、エステル交換反応速度を低下させるだけでなく、芳香族モノヒドロキシカーボネート化合物を系外に留去する装置等の能力を大きくしなくてはならないなど、効率的でない問題があった。
さらに、反応後のポリカーボネート樹脂を加熱下ペレット化などの処理を行う際にも、ポリマーの熱分解により樹脂が着色する問題があった。
この問題を解決する方法の一つとして、反応器に連続的に原料を供給し、同時に生成したポリカーボネートを取り出す連続式の反応プロセスを用いて、重合後のポリカーボネートをより少ない熱履歴で触媒失活処理及びペレット化を行い、ポリマー中に残留する芳香族モノヒドロキシ化合物の量を1000ppm以下に減少させ、得られるポリマーの色調を改善する方法が用いられている(特許文献5参照)。
特開平10−101786号公報 特開2004−67990号公報 国際公開第2006/41190号パンフレット 特開2003−327683号公報 特開2007−70392号公報
ところで、本発明者らの検討によると、フルオレン構造を側鎖に有するジヒドロキシ化合物は溶融状態で長時間保存されると、得られるポリカーボネートの色調に影響を及ぼすだけでなく、反応性にも影響を及ぼすことが明らかとなった。特に生産性や品質の観点から工業的にポリカーボネートを製造するために有用である連続重合プロセスでは、原料の反応性が変化すると一定の反応条件でポリカーボネートを生産することができなくなり、製造の歩留まりが悪化したり、製品品質が安定しないなどの問題を招く。従来の方法では、原料調製液の調製方法がバッチ式であったために、原料を溶融するのに時間を要することや、溶融してから反応に用いるまでの時間が変化することが反応性の振れる要因と考えられる。
一方で、ポリカーボネートの重合反応では、重合速度や品質に影響を及ぼす末端基濃度を所定の値に制御することが重要であり、そのためにはモノマーであるジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの仕込みモル比を厳密に制御する必要があるが、固体の原料を定量的に供給することは難しく、要求される仕込み精度を達成するには固体モノマーを溶融させて液体として扱う必要がある。上述の側鎖にフルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物は、通常、室温で固体であるが、このような事情から、該ジヒドロキシ化合物を溶融させる工程を有しながら、品質を維持し、重縮合反応に用いる方法が求められている。
本発明者らが上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルを重縮合してポリカーボネートを製造する方法において、少なくとも構造の一部にフルオレン部位を有し、室温で固体であるジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによって、該ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を反応器に供給して重縮合反応を行い、その際の該ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから、反応器に供給するまでの滞留時間を所定範囲内とすることにより、光学特性、透明性、色相、耐熱性、熱安定性、機械的強度などに優れたポリカーボネートを、効率的かつ安定に製造することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の要旨は、下記[1]〜[23]に存する。
[1]構造の一部にフルオレン部位を有するジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを、連続的に反応器に供給して溶融重縮合するポリカーボネートの製造方法であって、以下の条件1〜4をすべて満たすことを特徴とするポリカーボネートの連続的製造方法。
1.ジヒドロキシ化合物(A)は室温で固体である。
2.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを反応器に供給する前に混合して溶解する工程を含む。
3.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによって、該ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を反応器に供給する。
4.ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから、反応器に供給するまでの滞留時間が0.05時間以上10時間以下である。
[2]前記ジヒドロキシ化合物(A)の融点が炭酸ジエステルの融点より5℃以上高く、250℃以下である[1]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[3]前記ジヒドロキシ化合物(A)が、下記構造式(1)で表されるジヒドロキシ化合物である[1]または[2]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
(上記一般式(1)中、R1〜R4はそれぞれ独立に、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜炭素数20のアルキル基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキル基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のアリール基を表し、Xは置換若しくは無置換の炭素数2〜炭素数10のアルキレン基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキレン基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のアリーレン基を表す。m及びnはそれぞれ独立に0〜5の整数である。)
[4]前記炭酸ジエステルを溶融液とし、少なくとも1つの溶解槽に供給して、ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を調製する[1]乃至[3]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[5]前記室温で固体のジヒドロキシ化合物(A)が、メディアン径200μm以下の粉体である[1]乃至[4]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[6]前記ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルは、それぞれ計量フィーダー、あるいは流量計によって定量して溶解槽に供給される[1]乃至[5]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[7]前記溶解槽内の溶融液中のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルのモル比率を±3%以内に保持することを特徴とする[1]乃至[6]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[8]前記溶解槽が攪拌機と、加熱媒体が流通する熱交換器を具備する[1]乃至[7]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[9]前記溶解槽の内温が160℃以下であり、かつ、内温と加熱媒体温度との差が50℃以下である[8]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[10]前記溶解槽内部に保有しているジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを含有する混合液の容積をV[m]、該混合液と熱交換機との接触面積をS[m]とした時に、下記式(2)を満たす[8]又は[9]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
V/S ≦ 0.4 (2)
[11]前記溶解槽内部に保有しているジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを含有する混合液の液面を溶解槽高さの70%以上に保持することを特徴とする[1]乃至[10]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[12]前記溶解槽は、直列に連結された2つ以上の溶解槽であり、下流側の溶解槽の前記加熱媒体の温度が上流側の溶解槽の加熱媒体温度以下である[8]乃至[11]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[13]前記溶解槽内部の酸素濃度が0.5体積%以下である[1]乃至[12]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[14]前記ジヒドロキシ化合物は、前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物をさらに含み、前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物は、構造の一部に下記式(3)で表される部位を有するジヒドロキシ化合物(B)を含む[1]乃至[13]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
(但し、上記式(3)で表される部位が−CH2−OHの一部を構成する部位である場合
、および前記フルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物の一部を構成する部位である場合を除く。)
[15]前記ジヒドロキシ化合物(B)が、環状構造を有し、かつエーテル構造を有する化合物である[14]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[16]前記ジヒドロキシ化合物(B)が、下記構造式(4)で表される環状エーテル構造を有する化合物である[14]又は[15]に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[17]前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物は、前記ジヒドロキシ化合物(A)を液化する溶解槽とは別の溶解槽で液化される、[14]乃至[16]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[18]反応に用いられるすべてのジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルを、反応器に投入される前にフィルターで濾過する[1]乃至[17]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[19]反応器に供給される原料組成のうち、少なくとも1種のジヒドロキシ化合物の全ジヒドロキシ化合物に対する重量分率を、異なる重量分率に変更する組成切り替え工程を有し、上記組成切り替え工程の前の重量分率と組成切り替え工程後の重量分率の差が1wt%以上である[14]乃至[18]のいずれかに記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
[20]構造の一部にフルオレン部位を有するジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを、連続的に反応器に供給して溶融重縮合するポリカーボネートの製造方法であって、以下の条件1〜4をすべて満たすことを特徴とするポリカーボネートの連続的製造方法。
1.ジヒドロキシ化合物(A)は室温で固体である。
2.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを反応器に供給する前に混合して溶解する工程を含む。
3.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによって、該ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を反応器に供給する。
4.該ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの混合溶融液を調製してから、反応器に供給するまでの滞留時間が0.05時間以上8時間以下である。
[21][1]乃至[20]のいずれかに記載の方法で得られたポリカーボネートを製膜してなることを特徴とする透明フィルム。
[22]前記透明フィルムが、少なくとも一方向に延伸されてなることを特徴とする[2
1]に記載の透明フィルム。
[23]波長450nmで測定した位相差(Re450)と波長550nmで測定した位相差(Re550)の比が下記式(5)を満足することを特徴とする[21]又は[22]に記載の透明フィルム。
0.5 ≦ Re450/Re550 ≦ 1.0 (5)
本発明のポリカーボネートの製造方法により、光学特性、透明性、色相、耐熱性、熱安定性、機械的強度などに優れたポリカーボネートを、効率的かつ安定に製造することができる。特に本発明のポリカーボネートの製造方法によれば、原料調製工程でのジヒドロキシ化合物の熱劣化が抑制されることにより、重縮合工程における反応状態が安定し、分子量や色調、および共重合組成が均一な品質のポリカーボネートを得ることができる。
本発明の原料調製工程を示す工程図 本発明の重縮合工程を示す工程図
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の内容に限定されない。
なお、本明細書において、「〜」という表現を用いた場合、その前後の数値または物理値を含む意味で用いることとする。
<原料と触媒>
以下、本発明のポリカーボネートの製造方法において使用可能な原料、触媒について説明する。
(ジヒドロキシ化合物)
本発明のポリカーボネートの製造に用いられるジヒドロキシ化合物は、少なくともフルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物(A)(フルオレン系ジヒドロキシ化合物)を含む。得られるポリカーボネートの耐熱性や機械強度、光学特性と重合反応性の観点から、ジヒドロキシ化合物(A)は、9,9−ジフェニルフルオレンの構造を有する下記式(1)で表されるものが好適に用いられる。
(上記一般式(1)中、R1〜R4はそれぞれ独立に、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜炭素数20のアルキル基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキル基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のアリール基を表し、Xは置換若しくは無置換の炭素数2〜炭素数10のアルキレン基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキレン基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜
炭素数20のアリーレン基を表す。m及びnはそれぞれ独立に0〜5の整数である。)
〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は無置換若しくはエステル基、エーテル基、カルボン酸、アミド基、ハロゲンが置換した炭素数1〜6のアルキル基であるのが好ましく、水素原子又は炭素数1〜6のアルキル基であるのがより好ましい。Xは無置換若しくはエステル基、エーテル基、カルボン酸、アミド基、ハロゲンが置換した炭素数2〜炭素数10のアルキレン基、無置換若しくはエステル基、エーテル基、カルボン酸、アミド基、ハロゲンが置換した炭素数6〜炭素数20のシクロアルキレン基、または、無置換若しくはエステル基、エーテル基、カルボン酸、アミド基、ハロゲンが置換した炭素数6〜炭素数20のアリーレン基が好ましく、炭素数2〜6のアルキレン基であるのがより好ましい。又、m及びnはそれぞれ独立に0〜2の整数であるのが好ましく、中でも0又は1が好ましい。
ジヒドロキシ化合物(A)として、具体的には、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシプロポキシ)フェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−メチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシプロポキシ)−3−メチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−イソプロピルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−イソブチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−tert−ブチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−シクロヘキシルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−フェニルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3,5−ジメチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−3−tert−ブチル−6−メチルフェニル)フルオレン、9,9−ビス(4−(3−ヒドロキシ−2,2−ジメチルプロポキシ)フェニル)フルオレンなどが挙げられる。
上記ジヒドロキシ化合物(A)の融点は、炭酸ジエステルの融点より5℃以上高く、250℃以下であるのが好ましい。即ち、上記ジヒドロキシ化合物(A)は、通常、比較的高い融点を有するため、これを溶融して反応に供するが、加熱溶解により熱劣化する傾向があるため、より低温での溶解が好ましい。従って、本発明のポリカーボネートの他の原料である炭酸ジエステルに溶解するのが好ましく、この観点から、上記ジヒドロキシ化合物(A)の融点は、炭酸ジエステルの融点より5℃以上高いことが好ましく、10℃以上高いことがより好ましい。一方、融点の上限は特に限定されるものではないが、上記ジヒドロキシ化合物(A)の構造から、通常、250℃以下であり、より好ましくは、240℃以下である。
本発明の方法によって製造されるポリカーボネートは、所望の光学物性に調節するために、上記のフルオレン系ジヒドロキシ化合物以外のジヒドロキシ化合物に由来する構造単位を含んでいてもよく、適度な複屈折や低光弾性係数などの光学特性や耐熱性、機械強度などの観点から、構造の一部に式(3)で表される部位を有するジヒドロキシ化合物(B)が好適に用いられる。具体的には、オキシアルキレングリコール類、主鎖に芳香族基に結合したエーテル基を有するジヒドロキシ化合物、環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物等が挙げられる。
(但し、上記式(3)で表される部位が−CH2−OHの一部を構成する部位である場合
、および前記フルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物の一部を構成する部位である場合を除く。)
すなわち、ジヒドロキシ化合物(B)には、−CH2−OH以外に式(3)で表される
部位を有さない化合物は含まれないが、−CH2−OH以外に−CH2−O−CH2−等の
式(3)で表される部位を有する化合物は含まれる。
所望とする光学特性が得られ、さらに耐熱性や機械強度などの物性をバランスさせるためには、ジヒドロキシ化合物(A)/ジヒドロキシ化合物(B)のモル比が10/90〜70/30が好ましく、20/80〜60/40であるのがより好ましい。
前記のオキシアルキレングリコール類としては、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等が挙げられる。
前記の主鎖に芳香族基に結合したエーテル基を有するジヒドロキシ化合物としては、2,2−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)プロパン、2,2−ビス(4−(2−ヒドロキシプロポキシ)フェニル)プロパン、1,3−ビス(2−ヒドロキシエトキシ)ベンゼン、4,4’−ビス(2−ヒドロキシエトキシ)ビフェニル、ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)スルホン等が挙げられる。
前記の環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物としては、下記式(4)で表されるジヒドロキシ化合物、下記式(6)や下記式(7)で表されるスピログリコール等が挙げられる。なお、上記の「環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物」の「環状エーテル構造」とは、環状構造中にエーテル基を有し、環状鎖を構成する炭素が脂肪族炭素である構造からなるものを意味する。
ただし、上記式(4)で表されるジヒドロキシ化合物としては、立体異性体の関係にある、イソソルビド(ISB)、イソマンニド、イソイデットが挙げられ、これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
これらのジヒドロキシ化合物(B)の中でも、芳香環構造を有しないジヒドロキシ化合物を用いることがポリカーボネートの光学特性の観点から好ましく、入手のし易さ、ハンドリング、重合時の反応性、得られるポリカーボネートの色相の観点から、式(4)、(6)、(7)で表されるヒドロキシ化合物に代表される、環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物がより好ましく、上記式(4)で表されるジヒドロキシ化合物等の糖由来の環状エーテル構造を2つ有するジヒドロキシ化合物である無水糖アルコールや下記式(6)で表されるスピログリコール等の環状エーテル構造を2つ有するジヒドロキシ化合物がさらに好ましく、上記式(7)で表されるジヒドロキシ化合物等の、糖由来の環状エーテル構造を2つ有するジヒドロキシ化合物である無水糖アルコールが、入手及び製造のし易さ、耐光性、光学特性、成形性、耐熱性、カーボンニュートラルの面から最も好ましい。
これらのジヒドロキシ化合物(B)は、得られるポリカーボネートの要求性能に応じて、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の方法で製造されるポリカーボネートは、上記のジヒドロキシ化合物(A)及びジヒドロキシ化合物(B)以外のジヒドロキシ化合物(以下「ジヒドロキシ化合物(C)」と称する場合がある。)に由来する構造単位を含んでいてもよく、前記ジヒドロキシ化合物(C)としては、直鎖脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物、アルキル分岐脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物、脂環式炭化水素のジヒドロキシ化合物、芳香族ビスフェノール類等が挙げられる。
前記の直鎖脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物としては、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,2−ブタンジオール、1,5−ヘプタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,10−デカンジオール、1,12−ドデカンジオール等が挙げられる。
前記のアルキル分岐脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物としては、ネオペンチルグリコール、ヘキシレングリコール等が挙げられる。
前記の脂環式炭化水素のジヒドロキシ化合物としては、1,2−シクロヘキサンジオール、1,2−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノール、ペンタシクロペンタデカンジメタノール、2,6−デカリンジメタノール、1,5−デカリンジメタノール、2,3−デカリンジメタノール、2,3−ノルボルナンジメタノール、2,5−ノルボルナンジメタノール、1,3−アダマンタンジメタノール、リモネンなどのテルペン化合物
から誘導されるジヒドロキシ化合物等が挙げられる。
前記の芳香族ビスフェノール類としては、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジエチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−(3−フェニル)フェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−(3,5−ジフェニル)フェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジブロモフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−フェニルエタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−2−エチルヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)デカン、ビス(4−ヒドロキシ−3−ニトロフェニル)メタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、1,3−ビス(2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル)ベンゼン、1,3−ビス(2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル)ベンゼン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、2,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)スルフィド、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジスルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’−ジクロロジフェニルエーテル等が挙げられる。
これらの前記ジヒドロキシ化合物(C)も、得られるポリカーボネートの要求性能に応じて、単独又は2種以上を組み合わせた上で、前記ジヒドロキシ化合物(A)と併用してもよく、前記ジヒドロキシ化合物(A)及び前記ジヒドロキシ化合物(B)と併用してもよい。中でも、ポリカーボネートの光学特性の観点からは、分子構造内に芳香環構造を有しないジヒドロキシ化合物、即ち脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物や、脂環式炭化水素のジヒドロキシ化合物が好ましく、これらを併用してもよい。
前記したうち、本発明の方法で製造されるポリカーボネートに適した脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物としては、特に1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ヘプタンジオール、1,6−ヘキサンジオール等の炭素数3〜6で両末端にヒドロキシ基を有する直鎖脂肪族炭化水素のジヒドロキシ化合物が機械物性の観点から好ましく、脂環式炭化水素のジヒドロキシ化合物としては、特に1,2−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノールが好ましく、より好ましいのは、1,2−シクロヘキサンジメタノール、1,3−シクロヘキサンジメタノール、1,4−シクロヘキサンジメタノールなどのシクロヘキサン構造を有するジヒドロキシ化合物が好ましい。
これら前記ジヒドロキシ化合物(C)を、前記ジヒドロキシ化合物(A)又は、前記ジヒドロキシ化合物(A)及び前記ジヒドロキシ化合物(B)と併用することにより、ポリカーボネートの柔軟性の改善、耐熱性の向上、成形性の改善などの効果を得ることも可能である。ただし、前記ジヒドロキシ化合物(C)に由来する構造単位の含有割合が多過ぎると、耐熱性の低下を招くことがあるため、全てのジヒドロキシ化合物に由来する構造単位のモル数に対する、前記ジヒドロキシ化合物(C)に由来する構造単位の割合は、好ましくは80mol%以下、更に好ましくは70mol%以下、特に好ましくは60mol%以下である。一方、好ましくは10mol%以上、更に好ましくは15mol%以上、特に好ましくは20mol%以上である。
本発明の方法で使用される全てのジヒドロキシ化合物は、還元剤、抗酸化剤、脱酸素剤、光安定剤、制酸剤、pH安定剤、熱安定剤等の安定剤を含んでいてもよい。中でも、ジヒドロキシ化合物(B)は酸素の存在下、熱変質しやすいことから、前記の還元剤、抗酸化剤、脱酸素剤、光安定剤、制酸剤、pH安定剤、熱安定剤等の安定剤を含んでいることが好ましく、特に酸性下でジヒドロキシ化合物(B)はより変質しやすくなることから、塩基性安定剤を含むことがより好ましい。塩基性安定剤としては、長周期型周期表(Nomenclature of Inorganic Chemistry IUPAC Recommendations2005)における1族または2族の金属の水酸化物、炭酸塩、リン酸塩、亜リン酸塩、次亜リン酸塩、硼酸塩、脂肪酸塩や、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、N,N,N−トリメチルエタノールアミンヒドロキシド(コリン)、トリメチルエチルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルメチルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、トリブチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリブチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、テトラフェニルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド、メチルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド、ブチルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド等の塩基性アンモニウム化合物、ジエチルアミン、ジブチルアミン、トリエチルアミン、モルホリン、N−メチルモルホリン、ピロリジン、ピペリジン、ヒドロキシルアミン、3−アミノ−1−プロパノール、エチレンジアミン、N−メチルジエタノールアミン、ジエチルエタノールアミン、4−アミノピリジン、2−アミノピリジン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン、4−ジエチルアミノピリジン、2−ヒドロキシピリジン、2−メトキシピリジン、4−メトキシピリジン、2−ジメチルアミノイミダゾール、2−メトキシイミダゾール、イミダゾール、2−メルカプトイミダゾール、2−メチルイミダゾール、アミノキノリン等のアミン系化合物、ジ−(tert−ブチル)アミン、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン等のヒンダードアミン系化合物が挙げられる。安定剤の中でも安定化の効果からはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド、イミダゾール、ヒンダードアミン系安定剤が好ましい。
これら塩基性安定剤のジヒドロキシ化合物中の含有量に特に制限はないが、本発明で用いるジヒドロキシ化合物(B)は酸性状態では不安定であるので、上記の安定剤を含むジヒドロキシ化合物の水溶液のpHが7以上となるように安定剤を添加することが好ましい。少なすぎると本発明で用いる上記ジヒドロキシ化合物(B)の変質を防止する効果が得られない可能性があり、多すぎても上記ジヒドロキシ化合物(B)の変性を招く場合があるので、通常、本発明で用いるジヒドロキシ化合物(B)に対して、0.0001重量%〜1重量%、好ましくは0.001重量%〜0.1重量%である。
また、ジヒドロキシ化合物(B)は、酸素によって徐々に酸化されやすいので、保管や製造時の取り扱いの際には、酸素による分解を防ぐため、水分が混入しないようにし、また、脱酸素剤を用いたり、窒素雰囲気下にしたりすることが肝要である。イソソルビドが酸化されると、蟻酸をはじめとする分解物が発生する。例えば、これら分解物を含むイソソルビドを用いてポリカーボネートを製造すると、得られるポリカーボネートの着色を招いたり、物性を著しく劣化させたりするだけでなく、重合反応に影響を与え、高分子量の重合体が得られないこともあり、好ましくない。
これら塩基性安定剤を本発明で用いるジヒドロキシ化合物に含めたままポリカーボネートの製造原料として用いると、塩基性安定剤自体が重合触媒となり、重合速度や品質の制御が困難になるだけでなく、樹脂色相の悪化を招いてしまう。このため、前記ジヒドロキシ化合物のうち塩基性安定剤を有するものについては、ポリカーボネートの製造原料とし
て使用する前に塩基性安定剤をイオン交換樹脂や蒸留等で除去することが好ましい。
上記の酸化による分解物を含まないジヒドロキシ化合物を得るために、また、前述の塩基性安定剤を除去するためには、蒸留精製を行うことが好ましい。この場合の蒸留とは単蒸留であっても、連続蒸留であってもよく、特に限定されない。蒸留の条件としてはアルゴンや窒素などの不活性ガス雰囲気において、減圧下で蒸留を実施することが好ましく、熱による変性を抑制するためには、250℃以下、好ましくは200℃以下、特には180℃以下の条件で行うことが好ましい。このような蒸留精製で、前記ジヒドロキシ化合物をポリカーボネートの製造原料として使用した際に、重合反応性を損なうことなく色相や熱安定性に優れたポリカーボネートの製造が可能となる。
一方、アミン系化合物などの塩基性有機化合物を安定剤として用いると、重合触媒としての作用や着色への影響が小さいため、蒸留などによって安定剤を除去せずに重合反応に用いることができる。
(炭酸ジエステル)
本発明において、ポリカーボネートは、少なくともジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを原料として、エステル交換反応により重縮合させて得ることができる。
エステル交換反応に用いられる炭酸ジエステルとしては、通常、下記式(8)で表されるものが挙げられる。これらの炭酸ジエステルは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
(AおよびAは、それぞれ置換もしくは無置換の炭素数1〜18の脂肪族炭化水素基または置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基であり、AとAとは同一であっても異なっていてもよい。)AおよびAは置換もしくは無置換の芳香族炭化水素基が好ましく、無置換の芳香族水素基がより好ましい。尚、脂肪族炭化水素基の置換基としては、エステル基、エーテル基、カルボン酸、アミド基、ハロゲンが挙げられ、芳香族炭化水素基の置換基としては、メチル基、エチル基等のアルキル基が挙げられる。
前記式(8)で表される炭酸ジエステルとしては、例えば、ジフェニルカーボネート(DPC)、ジトリルカーボネート等の置換ジフェニルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びジ−t−ブチルカーボネート等が例示されるが、好ましくはジフェニルカーボネート、置換ジフェニルカーボネートであり、特に好ましくはジフェニルカーボネートである。なお、炭酸ジエステルは、塩化物イオンなどの不純物を含む場合があり、重合反応を阻害したり、得られるポリカーボネートの色相を悪化させたりする場合があるため、必要に応じて、蒸留などにより精製したものを使用することが好ましい。
(エステル交換反応触媒)
本発明の製造方法において、ポリカーボネートは、上述のようにジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と前記式(8)で表される炭酸ジエステルをエステル交換反応させて製造する。より詳細には、エステル交換させ、副生するモノヒドロキシ化合物等を系外に除去することによって得られる。このエステル交換反応の際には、エステル交換反応触媒存在下で重縮合を行うが、本発明の方法で製造されるポリカーボネートの製造時に使用し得るエステル交換反応触媒(以下、単に触媒、重合触媒と言うことがある)は、反応速度や重縮合して得られるポリカーボネートの色調に非常に大きな影響を与え得る。
用いられる触媒としては、製造されたポリカーボネートの透明性、色相、耐熱性、熱安定性、及び機械的強度を満足させ得るものであれば限定されないが、長周期型周期表における1族または2族(以下、単に「1族」、「2族」と表記する。)の金属化合物、塩基性ホウ素化合物、塩基性リン化合物、塩基性アンモニウム化合物、アミン系化合物等の塩基性化合物が挙げられる。好ましくは長周期型周期表第2族の金属およびリチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物が使用される。
前記の1族金属化合物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化セシウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素セシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸セシウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸セシウム、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸セシウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素セシウム、テトラフェニルホウ酸ナトリウム、テトラフェニルホウ酸カリウム、テトラフェニルホウ酸リチウム、テトラフェニルホウ酸セシウム、安息香酸ナトリウム、安息香酸カリウム、安息香酸リチウム、安息香酸セシウム、リン酸水素2ナトリウム、リン酸水素2カリウム、リン酸水素2リチウム、リン酸水素2セシウム、フェニルリン酸2ナトリウム、フェニルリン酸2カリウム、フェニルリン酸2リチウム、フェニルリン酸2セシウム、ナトリウム、カリウム、リチウム、セシウムのアルコレート、フェノレート、ビスフェノールAの2ナトリウム塩、2カリウム塩、2リチウム塩、2セシウム塩等が挙げられ、中でも重合活性と得られるポリカーボネートの色相の観点から、リチウム化合物が好ましい。
前記の2族金属化合物としては、例えば、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素バリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素ストロンチウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、炭酸ストロンチウム、酢酸カルシウム、酢酸バリウム、酢酸マグネシウム、酢酸ストロンチウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸バリウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸ストロンチウム等が挙げられ、中でもマグネシウム化合物、カルシウム化合物、バリウム化合物が好ましく、重合活性と得られるポリカーボネートの色相の観点から、マグネシウム化合物及び/又はカルシウム化合物が更に好ましく、最も好ましくはカルシウム化合物である。
なお、前記の1族金属化合物及び/又は2族金属化合物と共に、補助的に、塩基性ホウ素化合物、塩基性リン化合物、塩基性アンモニウム化合物、アミン系化合物等の塩基性化合物を併用することも可能であるが、長周期型周期表第2族の金属およびリチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物を使用することが特に好ましい。
前記の塩基性リン化合物としては、例えば、トリエチルホスフィン、トリ−n−プロピルホスフィン、トリイソプロピルホスフィン、トリ−n−ブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、あるいは四級ホスホニウム塩等が挙げられる。
前記の塩基性アンモニウム化合物としては、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、N,N,N−トリメチルエタノールアミン(コリン)、トリメチルエチルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルメチル
アンモニウムヒドロキシド、トリエチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、トリブチルベンジルアンモニウムヒドロキシド、トリブチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、テトラフェニルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド、メチルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド、ブチルトリフェニルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられる。
前記のアミン系化合物としては、例えば、4−アミノピリジン、2−アミノピリジン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン、4−ジエチルアミノピリジン、2−ヒドロキシピリジン、2−メトキシピリジン、4−メトキシピリジン、2−ジメチルアミノイミダゾール、2−メトキシイミダゾール、イミダゾール、2−メルカプトイミダゾール、2−メチルイミダゾール、アミノキノリン、グアニジン等が挙げられる。
上記重合触媒の使用量は、通常、重合に使用した全ジヒドロキシ化合物1mol当たり0.1μmol〜300μmol、好ましくは0.5μmol〜100μmolであり、中でも長周期型周期表第2族の金属およびリチウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属化合物を用いる場合、特にマグネシウム化合物及び/またはカルシウム化合物を用いる場合は、金属量として、前記全ジヒドロキシ化合物1mol当たり、通常、0.1μmol以上、好ましくは0.3μmol以上、特に好ましくは0.5μmol以上とする。また上限としては、20μmol以下がよく、好ましくは10μmol以下であり、さらに好ましくは3μmol以下で、特に好ましくは1.5μmol以下が好適である。ただし、本発明で用いるフルオレン部位を有するジヒドロキシ化合物(A)は、合成する際に用いられる触媒に由来する硫黄不純物が含有されている場合があり、上記重合触媒を失活させる作用があるため、実際に添加する重合触媒は、失活される分だけ前記の範囲よりも余分に使用する必要がある。反応に用いる全ジヒドロキシ化合物1mol当たりの全硫黄元素含有量をP[μmol]、重合触媒の金属元素量をQ[μmol]とした時に、下記式(9)の範囲になることが好ましい。
0.1 ≦ Q/P ≦ 2 (9)
触媒量が少なすぎると、重合速度が遅くなるため、所望の分子量のポリカーボネートを得ようとするにはその分だけ重合温度を高くせざるを得なくなる。そのために、得られるポリカーボネートの色相が悪化する可能性が高くなり、また、未反応の原料が重合途中で揮発してジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルのモル比率が崩れ、所望の分子量に到達しない可能性がある。一方、重合触媒の使用量が多すぎると、好ましくない副反応を併発し、得られるポリカーボネートの色相の悪化や成形加工時の樹脂の着色を招く可能性がある。
1族金属の中でもナトリウム、カリウム、セシウムは、ポリカーボネート中に多く含まれると色相に悪影響を及ぼす可能性がある。そして、これらの金属は使用する触媒からのみではなく、原料や反応装置から混入する場合がある。出所にかかわらず、ポリカーボネート中のこれらの金属の化合物の合計量は、金属量として、前記全ジヒドロキシ化合物1mol当たり、2μmol以下がよく、好ましくは1μmol以下、より好ましくは0.5μmol以下である。
<原料調製工程>
溶融重縮合による反応は、反応速度やポリカーボネートの品質を一定に制御するために、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとのモル比を厳密に制御する必要がある。要求される定量精度を得るには固体を供給する方法では難しいため、ポリカーボネートの原料として使用するジヒドロキシ化合物、および炭酸ジエステルは、通常、窒素やアルゴン等の不活性ガスの雰囲気下、バッチ式、半回分式または連続式の攪拌槽型の装置を用いて溶融液として扱われる。
本発明で用いられるジヒドロキシ化合物(A)は、熱や酸素の影響により、原料調製工程において溶融状態で取り扱う間に劣化し、反応速度の低下や、得られるポリカーボネートの着色を招きやすい。また、本発明で用いられるジヒドロキシ化合物(A)は、通常、室温で固体状態であり、溶解槽に供給する際に、空気を固体間に巻き込んでしまうおそれがある。溶解槽における酸素濃度をゼロにすることは実質的に不可能であり、酸素による劣化を最小に抑えるためには、反応器に供給されるまでの時間を最短にすることが肝要である。さらにはジヒドロキシ化合物(A)を液化させる温度を低くすることが好ましい。
従って、本発明のジヒドロキシ化合物(A)を液化してから反応器に供給するまでの滞留時間は、10時間以内であり、好ましくは7時間以内、さらに好ましくは6時間以内である。一方、ジヒドロキシ化合物(A)を短時間で液化させようとすると、高温に加熱しなければならなくなるため、かえって原料の劣化を招きやすくなる。また、ポリカーボネートの生産中に何らかのトラブルが発生して原料供給が停止した場合、溶解槽で溶融した原料をある程度蓄えておかないと、反応工程まで停止しなければならない事態を招き、再度反応を立ち上げるために原料が大量にロスされる。そのため、滞留時間の下限は、0.05時間以上であり、好ましくは0.1時間以上、さらに好ましくは0.5時間以上である。
また、ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を調製してから、反応器に供給するまでの滞留時間が0.05時間以上8時間以下であることが好ましい。
又、溶解槽から反応器をつなぐ移送配管内の滞留時間は、配管内に存在するジヒドロキシ化合物(A)を含む原料溶融液の総量をW[kg]、原料溶融液の反応器への供給量をF[kg/hr]とすると、移送配管内における滞留時間はW/F[hr]で表されることも上述のとおりである。
本発明で用いられるジヒドロキシ化合物(A)は比較的融点が高いため、単独で溶融させるよりも、より融点の低い炭酸ジエステルと混合することにより、溶解温度や溶融保持温度を低くできる。
したがって、固体のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを連続して溶解槽に一定流量で供給し、同時に該溶解槽から混合液を連続的に排出する方法を採用すると、液化と溶融状態の保持にかかる熱履歴を最小にすることができるとともに、溶解にかかる滞留時間を一定にすることが可能となる。原料の熱劣化は完全には避けられないが、滞留時間を一定に保つことで、一定の品質の原料を反応器に供給することができ、重縮合工程の運転やポリカーボネートの品質の安定化につながる。さらに、固体のジヒドロキシ化合物(A)を一定の供給量で連続的に供給することで、供給量の変動を最小に抑えることができるため、得られるポリカーボネートの共重合組成の変動が小さくなり、特に光学物性などの品質を均一にすることが可能となる。
以下、本発明の滞留時間について説明する。まず、本発明において、ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから反応器に供給するまでに該ジヒドロキシ化合物(A)を含む液が通過する装置を、溶解槽と移送配管(スタティックミキサーやフィルターを含む)とに区別する。そして、溶解槽において、ジヒドロキシ化合物(A)を液化(溶解または溶融)する段階、ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを混合する段階、及び原料溶融液を貯蔵する段階の全てに要する時間と、移送配管内を移動し、スタティックミキサーやフィルターを通過する段階の全てに要する時間とを足し合わせた時間が現実の滞留時間となる。但し、移送配管内を移動する全ての段階に要する時間は、溶解槽における全ての段階に要する時間に対して、無視できるほど小さいことから、本発明においては、溶解槽における全ての段階に要する時間の合計を滞留時間Tと定義する。
本発明において、前記滞留時間Tは、溶解槽iにおける滞留時間Tiの総和として記述
できる。ここで溶解槽iにおける滞留時間Tiは、以下に詳述するとおり、溶解槽iへの
物質の流入及び溶解槽iからの物質の流出によって分類される4種類の要素(状態)の滞留時間Txの組み合わせに分解できる。従って、溶解槽iにおける滞留時間Tiはジヒドロキシ化合物(A)の液化方法に従って、下記の要素の滞留時間の合計で表される。なお、本発明においては、エステル交換反応は連続式であり、反応器に供給する流量が一定であるため、少なくとも最終段の溶解槽から排出する混合液の流量は一定である。
(要素1)溶解槽から物質の流出がない状態
この場合、溶解槽iから物質の流出がない事を指し、溶解槽iの中で物質が静置されているか、攪拌されているかは問わない。溶解槽iの要素1としての滞留時間Ti 1[hr]は溶解槽iに物質が保持されている時間ti[hr]となる。
i 1=ti (10)
i 1:溶解槽iの要素1としての滞留時間[hr]
i:溶解槽iに物質が保持されている時間[hr]
要素1の例としては、溶解槽で固体を加熱攪拌するのに要する時間、バッチ式でジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを混合する時間、原料溶融液を貯蔵する時間等が該当する。なお、溶解槽から溶液を排出する時間は後述の要素2に分類される。
(要素2)溶解槽への物質流入がなく、溶解槽からの物質流出の流量が一定の状態
溶解槽iの要素2としての滞留時間Ti 2[hr]は、溶解槽i内部に存在する物質の総量Wi[kg]と溶解槽iから該物質が流出する流量Fi[kg/hr]とから次のように求まる。
i 2=Wi/Fi (11)
i 2:溶解槽iの要素2としての滞留時間[hr]
i:溶解槽i内部に存在する物質の量[kg]
i:溶解槽iから排出する物質の流量[kg/hr]
要素2の例としては、バッチ式の溶解槽からの排出における滞留時間が該当する。
(要素3)溶解槽への物質流入の流量と溶解槽からの物質流出の流量が一定、かつ等しい状態
溶解槽i内部に存在する物質の量Wi[kg]は一定であるので、要素3としての滞留
時間Ti 3[hr]は、前記Wiと、溶解槽iから該物質が流出する流量Fi[kg/hr]とから次のように求まる。
i 3=Wi/Fi (12)
i 3:溶解槽iの要素3としての滞留時間[hr]
i:溶解槽i内部に存在する物質の量[kg]
i:溶解槽iから排出する物質の流量[kg/hr]
要素3の例としては、連続式でジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを混合する時間が該当する。
(要素4)溶解槽への物質流入の流量又は該溶解槽からの物質流出の流量が一定でない、もしくは物質流入の流量と物質流出の流量が均衡しない状態
この場合、溶解槽i内部に存在する物質の量Wi[kg]の変化が一律ではないので、
該物質を排出する時、滞留時間に差が生じる。そこで、溶解槽iの要素4としての滞留時間Ti 4[hr]は、溶解槽iにおける物質の最長滞留時間Ti max[hr]とする。
i 4=Ti max (13)
i 4:溶解槽iの要素4としての滞留時間[hr]
i max:溶解槽iにおける物質の最長滞留時間[hr]要素4の例としては、バッチ式溶解装置や間欠式混合装置等における滞留時間等が該当する。
本発明において、ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから反応器に供給するまでの方法としては、下記のような方法があるが、これに限定されずいずれの方法を用いても良い。中でも方法1及び2が好ましい。
(方法1)固体のジヒドロキシ化合物(A)を溶融した炭酸ジエステル中に溶解して液化する方法。
(方法2)液体のジヒドロキシ化合物(A)と液体の炭酸ジエステルを溶解槽で混合する方法。この方法においては、固体のジヒドロキシ化合物(A)を単独で加熱融解して液化する工程を含む。
(方法3)固体のジヒドロキシ化合物(A)と固体の炭酸ジエステルの混合物を加熱融解して液化する方法。
尚、第1溶解槽において未溶解の固体ジヒドロキシ化合物(A)を含んでいる場合は、第1溶解槽の排出液を第2溶解槽に送液後、第2溶解槽においてジヒドロキシ化合物(A)を完全溶解すればよい。
以下、本発明においてジヒドロキシ化合物(A)を液化してから反応器に供給するまでの代表例について、前記定義に基づく滞留時間Tの計算式を記述する。
(代表例1)第1溶解槽において、液体の炭酸ジエステルと固体のジヒドロキシ化合物(A)とをそれぞれ連続的に投入して混合し、該混合液を第2溶解槽へ連続的に送液し、第2溶解槽で完全溶解した後、連続的に排出する場合
この例では、ジヒドロキシ化合物(A)が第1溶解槽に投入された時点から、液化したジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を第2溶解槽から排出する時点までを溶解槽内の滞留時間Tとする。上述の通り、溶解槽同士、又は溶解槽と反応槽を接続する配管の影響は考慮しない。
T=T1+T2 (14)
T:第1溶解槽に原料を投入した時点から、第2溶解槽から混合溶融液を排出する時点までのジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
1:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2:第2溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
ここで、第1溶解槽、第2溶解槽とも連続式であり、それぞれの溶解槽内部に存在する物質の量は一定で、かつ、それぞれの溶解槽から排出する物質の流量は一定であるから、第1溶解槽、第2溶解槽ともに前記要素3を適用する。
T=T1 3+T2 3 (14)
1 3=W1/F1 (15)
1 3:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
1:第1溶解槽内部に存在する物質の量[kg]
1:第1溶解槽から排出する物質の流量[kg/hr]
2 3=W2/F2 (16)
2 3:第2溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2:第2溶解槽内部に存在する物質の量[kg]
2:第2溶解槽から排出する物質の流量[kg/hr]
従って、式(14)は下記の通り記述される。
T=T1 3+T2 3=W1/F1+W2/F2 (17)
(代表例2)第1溶解槽でジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を調製後、第2溶解槽に一度に供給し、完全溶解する場合
この例においても、ジヒドロキシ化合物(A)が第1溶解槽に投入された時点から、液化したジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を第2溶解槽から排出する時点までを溶解槽内の滞留時間Tとする。上述の通り、溶解槽同士、又は溶解槽と反応槽を接続する配管の影響は考慮しない。
T=T1+T2 (18)
T:ジヒドロキシ化合物(A)が第1溶解槽に投入された時点から、液化したジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液が第2溶解槽から排出された時点までのジ ヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
1:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2:第2溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
この例では、第1溶解槽はバッチ式に相当するので、第1溶解槽の滞留時間T1は、加
熱を開始した時点から排出を開始した時点までの滞留時間(攪拌に要する時間)であり、該滞留時間は前記要素1に該当するのでT1 1と表記し、排出段階における滞留時間は上記要素2に該当するのでT1 2と表記する。第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間は次式で記述される。
1=T1 1+T1 2=t1+W1/F1 (19)
1:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)を含む液の滞留時間[hr]
1 1:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)を含む液の攪拌に要する時間[hr]
1 2:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)を含む液の排出に要する時間[hr]
1:第1溶解槽で攪拌に要する時間[hr]
1:第1溶解槽内部に存在する物質の量[kg]
1:第1溶解槽から排出する物質の流量[kg/hr]
但し、第1溶解槽の排出時間が第1溶解槽で攪拌に要する時間よりきわめて短い場合は、排出時間W1/F1を無視してもかまわない。一方、第2溶解槽において、ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液の量が変動し、第2溶解槽における混合液の滞留時間にばらつきが生じるため、第2溶解槽の滞留時間T2は、前記要素4に従い、最も長い滞留時間T2 maxとする。
2 4=T2 max (20)
2 4:第2溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2 max:第2溶解槽における混合液の最長の滞留時間[hr]従って、この例における滞留時間Tは次式となる。
T=T1 1+T2 4=t1+W1/F1+T2 max (21)
(代表例3)第1溶解槽に固体のジヒドロキシ化合物(A)を投入し、加熱融解し、該溶融液を第2溶解槽に送液し、第2溶解槽で連続的に液体の炭酸ジエステルと混合し、排出する場合
この例では、第1溶解槽はバッチ式による原料の加熱融解であり、第2溶解槽は連続式混合である。第1溶解槽において、ジヒドロキシ化合物(A)を投入後、加熱を開始した時点から、第2溶解槽出口から原料混合液を排出した時点までを溶解槽内の滞留時間Tとする。
T=T1+T2 (22)
T:第1溶解槽において、ジヒドロキシ化合物(A)を投入後、加熱を開始した時点から、第2溶解槽出口から原料混合液を排出した時点までのジヒドロキシ化合物(A)の 滞留時間[hr]
1:第1溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2:第2溶解槽におけるジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
この例においても、第1溶解槽において、加熱を開始した時点から排出を開始した時点までの滞留時間と、排出段階における滞留時間に分割でき、それらの和を第1溶解槽内の滞留時間T1とするので、代表例2の第1溶解槽の場合と同様、次式である。
1=T1 1+T1 2=t1+W1/F1 (23)
1 1:加熱を開始した時点から排出を開始した時点までの第1溶解槽内のジヒドロキシ
化合物(A)の滞留時間[hr]
1 2:排出段階における溶解槽内のジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
1:第1溶解槽で攪拌に要する時間[hr]
1:第1溶解槽内のジヒドロキシ化合物(A)の量[kg]
1:第1溶解槽から排出するジヒドロキシ化合物(A)の流量[kg/hr]
一方、第2溶解槽における滞留時間T2は、上記要素3の連続混合に該当するので、滞
留時間T2は次式になる。
2=T2 3=W2/F2 (24)
2 3:第2溶解槽内のジヒドロキシ化合物(A)の滞留時間[hr]
2:第2溶解槽内のジヒドロキシ化合物(A)の量[kg]
2:第2溶解槽から排出するジヒドロキシ化合物(A)の流量[kg/hr]以上を
まとめると、この例における滞留時間Tは、次式の通り記述される。
T=T1+T2=t1+W1/F1+W2/F2 (25)
本発明において、ジヒドロキシ化合物(A)は熱劣化により反応性が低下するため、後の重縮合工程を安定化させるためには、ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから反応器に供給するまでの滞留時間が一定であることが好ましい。滞留時間を一定に保つには、溶解槽への原料の供給量と排出量とを一定にし、かつ等しくすることによって、内容液の液量が一定になり達成される。
炭酸ジエステルは熱的に安定なため、ジヒドロキシ化合物(A)の溶解槽とは別の槽にて溶融させておき、溶解槽へは溶融液として供給すると、ジヒドロキシ化合物(A)の溶解を早められるため好ましい。従って、本発明においては、炭酸ジエステルを溶融液とし、少なくとも1つの溶解槽に供給するのが好ましい。
また、固体のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによってヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを混合液として反応器に供給するのが、ジヒドロキシ化合物(A)の液状での滞留時間を短くでき、色相や熱安定性に優れ、さらに共重合組成の均一なポリカーボネートの製造が可能となる点で好ましい。溶解槽に供給するジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルは投入前に仕込み量を計量する必要がある。固体状態の化合物は計量フィーダーにより、液体状態の化合物は流量計により、仕込み量が管理されることが好ましい。このようにして所定の供給量で連続的に原料を溶解槽に供給することにより、溶解槽内の溶融液中のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルのモル比率を±3%以内に保持することが好ましい。±2.8%以内がさらに好ましく、±2.6%以内が特に好ましい。溶解槽中の溶融液の組成を厳密に制御することが、得られるポリカーボネートの末端基バランスや共重合組成を安定化する上で重要である。なお、本発明では前記のモル比率は、溶融液中の炭酸ジエステルのモル数とジヒドロキシ化合物(A)のモル数の比を表すものとする。
本発明で用いられるジヒドロキシ化合物(A)は通常、室温で固体であり、その性状はメディアン径が200μm以下であることが好ましく、さらに150μm以下であることがより好ましい。比較的融点の高い化合物であるため、粒径が細かいほど溶解が早い。一方で、粒径の小さい粉体は空気を巻き込みやすいため、溶解槽や反応器に酸素を持ち込むおそれがあり、それにより得られるポリカーボネートの品質が悪化する懸念がある。また、粒径が小さすぎると粉塵爆発の危険性が増したり、粉体の移送が困難になる可能性があるため、メディアン径は10μm以上であることが好ましい。固体状態の化合物を溶解または溶融させる際には、溶解槽とは別の槽に粉体を仕込んだ後、窒素などの不活性ガスによって置換し、その後、溶解槽に移送する方法が用いられる。
ジヒドロキシ化合物(A)を液化するために用いられる溶解槽は、ジヒドロキシ化合物
(A)を加温する必要があるため、加熱媒体が流通する熱交換器を具備していることが好ましい。また、溶融時間を短縮し、ジヒドロキシ化合物(A)が加熱媒体との接触面において局所過熱されることによる劣化を抑制するために、攪拌機を用いて攪拌されることが好ましい。
溶解槽の内温(液化する温度、あるいは溶融状態を維持する温度)は、160℃以下が好ましい。さらに好ましくは150℃以下、特に好ましくは140℃以下である。一方、70℃以上、好ましくは80℃以上である。また、加熱媒体温度との差は、50℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは40℃以下、特に好ましくは30℃以下である。
溶解槽の内温が160℃より高いと、ジヒドロキシ化合物(A)自体の着色を招き、さらには反応性が低下するという問題点を生ずるおそれがある。なお、溶解槽の温度の下限は、70℃がよく、80℃が好ましい。70℃より低いと、結晶化して配管などが閉塞する問題点を生じるおそれがある。
溶解槽の内温と加熱媒体温度との差が50℃より大きいと、熱交換器との接触面において局所的に加熱されて、ジヒドロキシ化合物(A)が劣化しやすくなる問題点を生ずるおそれがある。なお、溶解槽の内温と加熱媒体温度との差はなくてもよく、この差は、0℃でも構わない。加熱媒体温度が内温よりも低くてもよい。
溶解槽内部のジヒドロキシ化合物(A)の容積に対して、加熱媒体の接触面積が小さいと、伝熱の効率が悪くなるため、熱媒温度を高くする必要がある。その場合、加熱媒体に接触している部分の液が局所過熱を受けて、熱劣化を起こしやすくなる。ジヒドロキシ化合物(A)と加熱媒体との接触面積を広げるために、必要に応じて溶解槽内に内部熱交換器を設けることで、伝熱効率が向上し、より低温・短時間で溶解を完了することができる。
溶解槽内部のジヒドロキシ化合物(A)の容積をV[m3]、該混合液と熱交換器との
接触面積をS[m2]とした時に、V/Sが0.4以下となるのが好ましく、さらには0
.35以下が好ましく、特には0.3以下が好ましい。なお、V/Sの下限は、0.1がよく、0.15が好ましい。0.1未満になると過度な数の内部熱交換器を溶解槽内に設置することになり、必要な容積を確保できなくなるため、現実的ではない。
溶解槽は1槽でもよいが、2槽以上を直列に連結して用いることが好ましい。1槽目の溶解槽に供給されるジヒドロキシ化合物(A)は通常、室温程度の温度のものが供給されるために、溶解温度まで昇温するために液体状態を維持できる温度よりも高い熱媒温度が必要となる。その場合、溶解が完了した部分も高い温度にさらされ続けるために、熱劣化が起きやすくなる。ある程度溶解させた液を2槽目に移送することで、2槽目では大きな熱量を供給する必要がないため、1槽目よりも低温で溶融を完了させることが可能となる。さらに熱劣化を抑制させるためには、下流側の溶解槽の加熱媒体温度を上流側の溶解槽の加熱媒体温度以下に設定することが好ましい。中でも、下流側の溶解槽の加熱媒体温度を上流側の溶解槽の加熱媒体温度より10℃以上低くすることがより好ましい。
前記溶解槽内部に保有しているジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを含有する混合液の液面を溶解槽高さの70%以上に保持することが好ましい。さらには75%以上が好ましく、特に80%以上であることが好ましい。混合液の液面が低すぎると、液面上部の攪拌軸や溶解槽壁面に固体のジヒドロキシ化合物(A)が析出して、混合液の組成が変動するために、得られるポリカーボネートの共重合組成や末端基量の制御が困難になる可能性がある。なお、溶解槽が丸底形状の場合、ここでいう液面および溶解槽の高さは最も深いところからの高さとする。
本発明で用いるジヒドロキシ化合物(A)は酸化劣化を受けやすいために、原料調製工程や重縮合工程の装置内は窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気に保たれることが好ましい。通常、工業的に用いられるのは窒素である。固体の化合物を装置内に投入する場合、空気が固体に巻き込まれて混入するおそれがあるため、固体のジヒドロキシ化合物(A)を溶解槽に投入する前に、ジヒドロキシ化合物(A)を受け入れた容器内を減圧や加圧して、不活性ガスに置換する方法や、溶解槽に不活性ガスを吹き込む方法を用いることで、空気の混入を防ぐことができる。上記のような方法により、溶解槽内部の酸素濃度が0.5体積%以下に保たれることが好ましい。
本発明では、さらに、前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物(ジヒドロキシ化合物(B)及びジヒドロキシ化合物(C))を原料に用いてもよい。
本発明の原料調製工程において、ジヒドロキシ化合物(A)は、溶融した炭酸ジエステルに溶解された形で反応に供されることが好ましい。ジヒドロキシ化合物(A)、ジヒドロキシ化合物(B)及びジヒドロキシ化合物(C)も原料調製工程において、可能な限り熱劣化を抑制することが好ましいが、複数種のジヒドロキシ化合物を混合して溶融させる場合、融点の高いジヒドロキシ化合物に合わせて溶融温度を設定しなければならないため、融点の低いモノマーは必要以上に熱負荷がかかることになる。そのため、ジヒドロキシ化合物(B)及び/又はジヒドロキシ化合物(C)の融点が炭酸ジエステルの融点よりも低い場合は、溶融した炭酸ジエステルに溶解するよりも、固体の該ジヒドロキシ化合物を単独で溶融させて反応に供する方が、原料に与えられる熱負荷を低減することができる。
上記の観点から、本発明では、ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物は、ジヒドロキシ化合物(A)を液化する溶解槽とは別の溶解槽で液化されるのが好ましく、又、ジヒドロキシ化合物(A)とその他のジヒドロキシ化合物(B)及び/又はジヒドロキシ化合物(C)は別々に反応器に供給させるか、反応器の直前に配管内で混合して反応器に供給されることが好ましい。それぞれ個別に定量ポンプにより反応器に供給することで、原料を混合するための槽を設ける必要がなく、余分な滞留時間を削減することができる。反応器に配管を複数つなげると、反応器の圧力の制御が難しくなるため、反応器に供給される前に配管内ですべての原料が混合されることが特に好ましい。原料調製液が相分離を起こす可能性がある場合は、原料を混合する際にスタティックミキサーなどを使用して、液を均一に分散させることが好ましい。
原料を溶融させる際に酸化防止剤を添加してもよい。通常知られるヒンダードフェノール系酸化防止剤やリン系酸化防止剤を添加することで、原料調製工程での原料の保存安定性の向上や、重縮合中での着色を抑制することにより、得られる樹脂の色相を改善することができる。
原料由来の異物の製品への混入を防ぐため、溶融した原料はフィルターで濾過してから反応器に供給されることが好ましい。
本発明においては、複数種用いる原料のうち、いずれの原料を濾過してもよいし、全てを濾過してもよく、その方法は、限定されるものではなく、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの原料混合物を濾過してもよいし、別々に濾過した後に混合してもよい。また、重縮合反応の途中の反応液をフィルターで濾過することもできる。
各原料のライン一つ一つにフィルターを設置してもよいが、すべての原料を混合してから一つのフィルターに通すことは設備を簡略化できるためより好ましい。また、フィルターを使用する場合、圧力上昇などを監視する必要があるが、フィルターを1つに集約することによって、該フィルターのみを監視すればよくなり、運転管理も容易となる。
その際のフィルターの形状としては、バスケットタイプ、ディスクタイプ、リーフディ
スクタイプ、チューブタイプ、フラット型円筒タイプ、プリーツ型円筒タイプ等のいずれの型式であってもよいが、中でもコンパクトで濾過面積が大きく取れるプリーツタイプのものが好ましい。また、該フィルターを構成する濾材としては、金属ワインド、積層金属メッシュ、金属不織布、多孔質金属板等のいずれでもよいが、濾過精度の観点から積層金属メッシュまたは金属不織布が好ましく、中でも金属不織布を焼結して固定したタイプのものが好ましい。
該フィルターの材質についての制限は特になく、金属製、樹脂製、セラミック製等を使用することができるが、耐熱性や着色低減の観点からは、鉄含有量80%以下である金属製フィルターが好ましく、中でもSUS304、SUS316、SUS316L、SUS310S等のステンレス鋼製が好ましい。
原料モノマーの濾過の際には、濾過性能を確保しながらフィルターの寿命を延ばすためには、複数のフィルターユニットを用いることが好ましく、中でも上流側のユニット中のフィルターの目開きをCμm、下流側のユニット中のフィルターの目開きをDμmとした場合に、少なくとも1つの組み合わせにおいて、CはDより大きい(C>D)ことが好ましい。この条件を満たした場合は、フィルターがより閉塞しにくくなり、フィルターの交換頻度の低減を図ることができる。
フィルターの目開きは特に制限はないが、少なくとも1つのフィルターにおいては、99%の濾過精度として10μm以下であることが好ましく、フィルターが複数配置されている場合には、最上流側において好ましくは8以上、更に好ましくは10以上であり、その最下流側において好ましくは2以下、更に好ましくは1以下である。
尚、前記99%の濾過精度として定義される目開きとは、ISO16889に準拠して決定された下記式(30)で表されるβχ値が1000の場合のχの値を言う。
βχ=(χμmより大きい1次側の粒子数)/(χμmより大きい2次側の粒子数) (30)
(ここで1次側とはフィルターでの濾過前、2次側とは濾過後を示す。)
本発明において、原料をフィルターに通過させる際の原料流体の温度に制限はないが、低すぎると原料が固化し、高すぎると熱分解等の不具合があるため、好ましくは100℃〜200℃、さらに好ましくは100℃〜150℃である。
重縮合触媒は好まざる副反応を抑制するために、反応器に投入される直前に原料に供給されるのがよい。使用する重縮合触媒は、通常、予め水溶液として準備される。触媒水溶液の濃度は特に限定されず、触媒の水に対する溶解度に応じて任意の濃度に調整される。また、水に代えて、アセトン、アルコール、トルエン、フェノール等の他の溶媒を選択することもできる。なお、重縮合触媒の具体例については、後記する。触媒の溶解に使用する水の性状は、含有される不純物の種類ならびに濃度が一定であれば特に限定されないが、通常、蒸留水や脱イオン水等が好ましく用いられる。
複数種のジヒドロキシ化合物を用いて、共重合ポリカーボネートを製造する場合、各ジヒドロキシ化合物の組成比を変更することで、得られるポリカーボネートの耐熱性や機械物性、光学特性などを調節することが可能であるため、使用用途に応じて、異なる組成のポリカーボネートを作り分ける必要が生じる可能性がある。
本発明において、複数種のジヒドロキシ化合物を用いて、重縮合反応を連続的に行い、ポリカーボネートを製造する場合、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを混合して、原料混合液を調製すると、ジヒドロキシ化合物の組成比が異なるポリカーボネートの製造に移行する場合に、原料調製槽の組成が切り替わるまでに時間がかかるため、得られるポリカーボネートの組成が完全に切り替わるまでに時間を要する。一方、ジヒドロキシ化合物を別々に溶解して反応槽に供給する方法では、個別に設けた定量ポンプの流量を変更す
ることで、反応器に供給されるジヒドロキシ化合物の組成を瞬時に切り替えることが可能となり、製品が切り替わるまでの時間を大幅に短縮することが可能となり、原料のロスや移行期間の短縮により、製品の歩留まりや生産性を向上することが可能となる。
すなわち、ジヒドロキシ化合物(A)と、ジヒドロキシ化合物(B)及びジヒドロキシ化合物(C)とを原料に用いて連続的に重縮合を行い、ポリカーボネートを製造する場合、これらの複数のジヒドロキシ化合物を別々に溶解して、個別に設けた定量ポンプを用いて反応槽に供給すると、個別に設けた定量ポンプの流量を変更することにより、短時間で得られるポリカーボネートの組成を切り替えることができ、製品のロスを最小に抑えることができる。
本発明において組成を切り替えるとは、反応器に供給される原料組成のうち、いずれか1種のジヒドロキシ化合物の全ジヒドロキシ化合物に対する重量分率を、異なる重量分率に変更する工程を行い、上記組成切り替え工程前後における重量分率の差が、1wt%以上となることをいう。重量分率の差が1wt%より小さい場合は、原料仕込み比の精度の問題から十分に変動する範囲であるため、本発明においては組成切り替えとは見なさない。重量分率の差を2wt%以上変更する場合は上記切り替え方法が特に有効である。
<ポリカーボネート製造工程の概要>
本発明の方法においては、少なくとも上記ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを、液体状態で連続的に反応器に供給し、通常、重縮合触媒の存在下で反応させる(溶融重縮合)ことによりポリカーボネートが製造される。
なお、本発明において、複数器の反応器を用いる場合において、1器目の反応器を第1反応器、2器目の反応器を第2反応器、3器目の反応器を第3反応器、……と称する。また、本発明において「反応器」とは、重縮合反応によって生成するモノヒドロキシ化合物(炭酸ジエステルとしてジフェニルカーボネートを用いる場合はフェノール)が理論生成量の10モル%以上生成する容器と定義する。従って、本発明における反応器は、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルを混合した後の工程で、後述する反応温度まで加熱する加熱装置を有し、意図的なエステル交換反応を起こすための装置であり、原料を事前に混合したり溶解させたりすることを主な目的とする溶解槽や、原料混合液を移送するための配管は、たとえそこでわずかながら反応が進行していたとしても、前記の反応器に含まれない。
重縮合工程は前段反応と後段反応の2段階に分けられる。前段反応は通常130〜230℃、好ましくは150〜220℃の温度で0.1〜10時間、好ましくは0.5〜3時間実施され、副生するモノヒドロキシ化合物を留出させ、オリゴマーを生成させる。後段反応は、反応系の圧力を前段反応から徐々に下げ、反応温度も徐々に上げていき、同時に発生するモノヒドロキシ化合物を反応系外へ除きながら、最終的には反応系の圧力が2kPa以下で、通常200〜260℃、好ましくは210〜250℃の温度範囲のもとで重縮合反応を行い、ポリカーボネートを生成させる。なお、本明細書における圧力とは、真空を基準に表した、いわゆる絶対圧力を指す。
この重縮合工程で用いる反応器は、上記のとおり、少なくとも2器が連結されたものであり、第1反応器の出口から出た反応物は第2反応器に入るものが用いられる。連結する反応器の数は特に限定されないが、2器〜7器が好ましく、3〜5器がより好ましく、3〜4器が更に好ましい。反応器の種類も特に限定されないが、前段反応の反応器は竪型攪拌反応槽が1器以上、後段反応の反応器は高粘度の反応液に対応可能である、横型攪拌反応器が1器以上であることが好ましい。本発明の方法においては、最終段の横型攪拌反応器の反応条件が、得られる樹脂の品質だけでなく、製造の歩留りや樹脂中の異物量など様
々な観点から重要な影響を与え得る。
反応器を複数設置する場合は、反応器毎に段階的に温度を上昇させ、段階的に圧力を減少させた設定とすることが好ましい。
本発明で製造するポリカーボネートも、通常のポリカーボネートと同様に、反応の進行とともに反応液の粘度が上昇してくるため、多槽方式の各反応器においては、重縮合反応の進行とともに副生するモノヒドロキシ化合物(DPCを用いた場合はフェノールとなる。)をより効果的に系外に除去し、また、反応液の流動性を確保するために、上記の反応条件内で、段階的により高温、より高真空に設定する必要がある。
前記の反応器と次の反応器との連結は、直接でも、必要に応じて、予熱器等を介して行ってもよい。配管は二重管式等で反応液を冷却固化させることなく移送ができ、ポリマー側に気相がなく、かつデッドスペースを生じないものが好ましい。
前記のそれぞれの反応器を加熱する加熱媒体の上限温度は、通常270℃、好ましくは250℃、中でも240℃が好適である。加熱媒体の温度が高すぎると、反応器壁面での熱劣化が促進され、異種構造や分解生成物の増加、色調の悪化等の不具合を招くことがある。特に未反応のジヒドロキシ化合物が熱分解によって着色物を生成しやすいため、最終重合反応器より前の反応器の加熱媒体の温度は240℃未満であることが好ましい。下限温度は、上記反応温度が維持可能な温度であれば特に制限されない。
本発明で使用する反応器は公知のいかなるものでもよい。例えば、熱油あるいはスチームを加熱媒体とした、ジャケット形式の反応器あるいは内部にコイル状の伝熱管を有する反応器等が挙げられる。
次に、本発明の方法について、さらに具体的に説明する。本発明の方法は、原料モノマーとして、少なくとも9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン(略称:BHEPF)等のジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と、ジフェニルカーボネート(略称:DPC)等の炭酸ジエステルをそれぞれ溶融状態にて、原料混合溶融液を調製し(原料調製工程)、これらの化合物を、重縮合触媒の存在下、溶融状態で複数の反応器を用いて多段階で重縮合反応をさせる(重縮合工程)ことによって行われる。DPCを用いた場合、モノヒドロキシ化合物としてフェノールが副生するため、減圧下で反応を行い、このフェノールを反応系から除去することにより、反応を進行させ、ポリカーボネートを生成させる。
反応方式は、バッチ式、連続式、又はバッチ式と連続式の組合せが考えられるが、本発明においては、生産性と得られる製品の品質の観点から連続式が用いられる。本発明の方法では、反応器は、複数器の竪型攪拌反応槽、およびこれに続く少なくとも1器の横型攪拌反応器が用いられる。通常、これらの反応器は直列に設置され、連続的に処理が行われる。
重縮合工程後、樹脂中の未反応原料や反応副生物であるモノヒドロキシ化合物を脱揮除去する工程や、熱安定剤、離型剤、色剤等を添加する工程、溶融状態の樹脂をフィルターにより濾過して異物を除去する工程、溶融状態の樹脂をストランド状に抜き出して、所定の粒径のペレットに形成する工程等を適宜追加してもよい。
発生したフェノール等のモノヒドロキシ化合物は、タンクに収集しておき、資源有効活用の観点から、必要に応じ、精製を行って回収した後、DPCやビスフェノールA等の原料として再利用することが好ましい。本発明の製造方法において、副生モノヒドロキシ化合物の精製方法に特に制限はないが、蒸留法を用いることが好ましい。
次に、製造方法の各工程について説明する。
<前段反応工程>
先ず、上記ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの混合物を、溶融下に、竪型攪拌反応槽に供給して、通常、温度130℃〜230℃で重縮合反応を行う。
この反応は、通常1槽以上、好ましくは2槽〜6槽の多槽方式で連続的に行われ、副生するモノヒドロキシ化合物の40%から95%を留出させることが好ましい。反応温度は、通常130℃〜230℃、好ましくは150℃〜220℃であり、圧力は40kPa〜1kPaである。多槽方式の連続反応の場合、各槽の温度を、上記範囲内で順次上げ、各槽の圧力を、上記範囲内で順次下げることが好ましい。平均滞留時間は、通常0.1〜10時間、好ましくは0.5〜5時間、より好ましくは0.5〜3時間である。
温度が高すぎると熱劣化が促進され、異種構造や着色成分の生成が増加し、樹脂の品質の悪化を招くことがある。一方、温度が低すぎると反応速度が低下するために生産性が低下するおそれがある。
溶融重縮合反応は平衡反応であるため、副生するモノヒドロキシ化合物を反応系外に除去することで反応が促進されるため、減圧状態にすることが好ましい。圧力は1kPa以上40kPa以下であることが好ましく、より好ましくは5kPa以上、30kPa以下である。圧力が高すぎるとモノヒドロキシ化合物が留出しないために反応性が低下し、低すぎると未反応のジヒドロキシ化合物や炭酸ジエステルなどの原料が留出するため、原料モル比がずれて所望の分子量まで到達しないなど、反応の制御が難しくなり、また、原料原単位が悪化してしまうおそれがある。
<後段反応工程>
次に、前段の重縮合工程で得られたオリゴマーを横型攪拌反応器に供給して、温度200℃〜260℃で重縮合反応を行い、ポリカーボネートを得る。この反応は通常1器以上、好ましくは1〜3器の横型攪拌反応器で連続的に行われる。
反応温度は、好ましくは200〜260℃、より好ましくは210〜250℃である。圧力は、通常13.3kPa〜10Pa、好ましくは1kPa〜10Paである。平均滞留時間は、通常0.1〜10時間、好ましくは0.5〜5時間、より好ましくは0.5〜2時間である。
<反応器>
重縮合工程を多槽方式で行う場合は、通常、竪型攪拌反応槽を含む複数器の反応器を設けて、ポリカーボネートの平均分子量(還元粘度)を増大させる。
ここで、反応器としては、竪型攪拌反応槽や横型撹拌反応器があげられ、具体例としては、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縮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縮合するワイヤー付き多孔板型反応器等が挙げられる。上記の通り、前段反応工程では竪型攪拌反応槽を用いるのが好ましく、後段反応工程では横型攪拌反応器を用いるのが好ましい。
前記の竪型攪拌反応槽とは、垂直回転軸と、この垂直回転軸に取り付けられた攪拌翼とを具備しており、攪拌翼の形式としては、例えば、タービン翼、パドル翼、ファウドラー翼、アンカー翼、フルゾーン翼(神鋼パンテック(株)製)、サンメラー翼(三菱重工業(株)製)、マックスブレンド翼(住友重機械工業(株)製)、ヘリカルリボン翼、ねじ
り格子翼((株)日立製作所製)等が挙げられる。
また、前記の横型攪拌反応器とは、内部に複数本設けられた攪拌翼の回転軸が横型(水平方向)で、この水平回転軸に対してほぼ垂直に延びる複数枚の攪拌翼を有しており、それぞれの水平回転軸に設けられた攪拌翼は、互いに水平方向の位置をずらして、衝突しないように配されたものである。攪拌翼の形式としては、例えば、円板型、パドル型等の一軸タイプの攪拌翼や、HVR、SCR、N−SCR(上記3種は三菱重工業(株)製)、バイボラック(住友重機械工業(株)製)、あるいはメガネ翼、格子翼((株)日立製作所製)等の二軸タイプの攪拌翼が挙げられる他、車輪型、櫂型、棒型、窓枠型などの攪拌翼が挙げられる。このような攪拌翼が、回転軸あたり少なくとも2段以上設置されており、この攪拌翼により反応溶液をかき上げ、又は押し広げて反応溶液の表面更新を行う。また、横型反応器の水平回転軸の長さをLとし、攪拌翼の回転直径をDとしたときにL/Dが1〜15、好ましくは2〜14である。
本発明における反応装置においては、前段と後段とに関わらず、ポリカーボネートの色調の観点から、反応装置を構成する機器、配管などの構成部品の原料モノマーまたは重縮合液に接する部分(以下「接液部」と称する)の表面材料は、接液部の全表面積の少なくとも90%以上を占める割合で、ニッケル含有量10重量%以上のステンレス、ガラス、ニッケル、タンタル、クロム、テフロン(登録商標)のうち1種または2種以上から構成されていることが好ましい。本発明においては、接液部の表面材料が上記物質から構成されていればよく、上記物質と他の物質とからなる張り合わせ材料、あるいは上記物質を他の物質にメッキした材料などを表面材料として用いることができる。
ところで、前記炭酸ジエステルとして、ジフェニルカーボネート、ジトリルカーボネート等の置換ジフェニルカーボネートを用い、本発明の方法でポリカーボネートを製造する場合は、モノヒドロキシ化合物であるフェノールや置換フェノールが副生し、ポリカーボネート中に残存することは避けられない。しかし、これらのフェノール、置換フェノールといったモノヒドロキシ化合物は成形加工時の臭気の原因となる場合がある。通常のバッチ反応で得られるポリカーボネート中には、1000ppm以上の副生フェノール等の芳香環を有するモノヒドロキシ化合物が含まれている。なお、これらモノヒドロキシ化合物は、用いる原料により、置換基を有していてもよく、例えば、炭素数が5以下であるアルキル基などを有していてもよい。
このようなモノヒドロキシ化合物をはじめとする、樹脂中の残存低分子成分を低減するには、前記最終重合反応器の圧力を極力低くして、留去することが効果的である。しかし、ISBのようにアルコール性ヒドロキシ基を有するジヒドロキシ化合物をモノマーに用いたポリカーボネートは、フェノール性ヒドロキシ基を有するビスフェノールAをモノマーに用いた従来の芳香族ポリカーボネートと比べて、反応の平衡定数が大きいために、後段反応における分子量上昇速度が速い。そのため、圧力を低下させると反応が促進されすぎるために反応の制御が難しくなる。本発明の前記式(3)の構造部位を有するジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとしてジフェニルカーボネートを用いる方法においては、通常、ヒドロキシ末端の量と、下記構造式(31)で表されるフェニルカーボネート末端の量とが等量の時に反応速度は最大となるが、あえてヒドロキシ末端の量を減らし、フェニルカーボネート末端の量を増やすことで、粘度上昇速度を緩やかにして、最終重合反応器の圧力を低下させることが可能となる。さらに、ヒドロキシ末端が少ないほど、樹脂を溶融滞留させた時の着色が低減するなど、得られるポリカーボネートの熱安定性が向上する効果もある。
このような末端基のバランスは、反応に用いられる全ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの、最初の第1反応器へ投下する際の仕込みのモル比により制御することが可能であり、全ジヒドロキシ化合物に対して、炭酸ジエステルのモル比が0.990以上1.030以下であることが好ましい。全ジヒドロキシ化合物に対する炭酸ジエステルの仕込みのモル比は、より好ましくは0.995以上1.25以下である。モル比が大きすぎると、後段反応においてヒドロキシ末端が消失して、所望の分子量まで到達できなくなる。また、小さすぎるとヒドロキシ末端が増加して、得られる樹脂の熱安定性が悪化する。このように末端バランスを制御することで、前記最終重合反応器における粘度上昇速度を制御することが可能となり、前記最終重合反応器の圧力を低下できる。前記最終重合反応器の圧力は1kPa以下が好ましく、さらに好ましくは0.7kPa以下、特に好ましくは0.5kPa以下である。なお、圧力は低いほど好ましいが、10Paで減圧の限界となることが多い。
このようにして、この発明で重縮合して得られるポリカーボネート樹脂中のヒドロキシ末端基の量は、前記最終重合反応器の出口において60mol/ton以下であることが好ましい。さらに好ましくは50mol/ton以下、特に好ましくは40mol/ton以下である。得られるポリカーボネート樹脂が有するヒドロキシ末端基の量は少ないほど熱安定性の観点からは好ましいが、ヒドロキシ末端が完全に消失すると、反応が頭打ちとなって所望の分子量に到達しないおそれもあるため、ヒドロキシ末端は5mol/ton以上含むことが好ましく、10mol/ton以上含むことがより好ましい。ヒドロキシ末端基は、前述の全ジヒドロキシ化合物に対する炭酸ジエステルの仕込みのモル比により制御することができる。炭酸ジエステルの仕込み量を増やすことで、ヒドロキシ末端基の量は低下する。
また、この発明で連続法で重縮合して得られるポリカーボネート樹脂中に含まれるモノヒドロキシ化合物の量は、前記最終重合反応器の出口において、700ppm以下が好ましく、さらに好ましくは500ppm以下、特に好ましくは200ppm以下である。ただし、工業的に完全に除去することは困難であり、モノヒドロキシ化合物の含有量の下限は通常1ppmである。
<重縮合反応以降の工程>
本発明の方法で製造されるポリカーボネートは、上述の重縮合反応を行った後、固化させることなく、溶融状態のまま、フィルターに通して異物を濾過する。中でも樹脂中に含まれる低分子量成分の除去や、熱安定剤等の添加混練を実施するため、重縮合で得られた樹脂を押出機に導入し、次いで押出機から排出された樹脂を、フィルターを用いて濾過することが好ましい。
本発明の方法において、フィルターを用いてポリカーボネートを濾過する方法は、濾過に必要な圧力を発生させるために、最終重縮合反応器からギアポンプやスクリュー等を用いて溶融状態で抜き出し、フィルターで濾過する方法、最終重縮合反応器から溶融状態で一軸または二軸の押出機に樹脂を供給し、溶融押出した後、フィルターで濾過し、ストランドの形態で冷却固化させて、回転式カッター等でペレット化する方法、又は、最終重縮合反応器から溶融状態で一軸または二軸の押出機に樹脂を供給し、溶融押出しした後、一
旦ストランドの形態で冷却固化させてペレット化し、該ペレットを再度押出機に導入してフィルターで濾過し、ストランドの形態で冷却固化させて、ペレット化する方法、最終重縮合反応器から溶融状態で抜き出し、押出機を通さずにストランドの形態で冷却固化させて一旦ペレット化させた後に、一軸または二軸の押出機にペレットを供給し、溶融押出しした後、フィルターで濾過し、ストランドの形態で冷却固化させてペレット化させる方法等が挙げられる。中でも熱履歴を最小限に抑え、色相の悪化や分子量の低下等、熱劣化を抑制するためには、最終重縮合反応器から溶融状態で一軸または二軸の押出機に樹脂を供給し、溶融押出しした後、直接フィルターで濾過し、ストランドの形態で冷却固化させて、回転式カッター等でペレット化する方法が好ましい。
本発明の方法において使用される押出機の形態は限定されるものではないが、通常一軸または二軸の押出機が用いられる。中でも後述の脱揮性能の向上や添加剤の均一な混練のためには二軸の押出機が好ましい。この場合、軸の回転方向は異方向であっても同方向であってもよいが、混練性能の観点からは異方向が好ましいが、剪断発熱により樹脂の温度が上昇し、色相が悪化することを抑制する観点からは同方向が好ましい。押出機の使用によりフィルターへのポリカーボネート樹脂の供給を安定させることができる。
また、上記の通り重縮合させて得られたポリカーボネート中には、通常、色相や熱安定性、さらにはブリードアウト等により製品に悪影響を与える可能性のある原料モノマー、重縮合反応で副生するモノヒドロキシ化合物、ポリカーボネートオリゴマー等の低分子量化合物が残存しているが、ベント口を有する押出機を用い、好ましくはベント口から真空ポンプ等を用いて減圧にすることにより、これらを脱揮除去することも可能である。また、押出機内に水等の揮発性液体を導入して、脱揮を促進することもできる。ベント口は1つであっても複数であってもよいが、好ましくは2つ以上である。
通常、押出機では剪断発熱により、樹脂の温度が上昇する。色相の改善のためには、押出機での温度上昇を極力抑えることが肝要である。剪断発熱は特にスクリューの回転数の影響が大きいため、回転数を低めに調整することによる効果が高い。しかし、回転数を低くしすぎると、モーターの負荷が上がったり、ベント口に樹脂が巻き上がって、ベントラインを閉塞させてしまったりする懸念があるため、回転数を低めに調整する効果にも限度がある。また、押出機のシリンダー温度も、モーターの負荷の許す限り低くすることが好ましい。
さらに、押出機中で通常知られている、熱安定剤、中和剤、紫外線吸収剤、離型剤、着色剤、帯電防止剤、滑剤、潤滑剤、可塑剤、相溶化剤、難燃剤等を添加、混練することも出来る。
本発明において、ポリカーボネート樹脂が直接外気と触れるストランド化、ペレット化の際には、外気からの異物混入を防止するために、好ましくはJIS B9920(2002年)に定義されるクラス7、更に好ましくはクラス6より清浄度の高いクリーンルーム中で実施することが望ましい。
フィルターで濾過されたポリカーボネート樹脂は、ダイスヘッドからストランドの形態で吐出し、冷却固化させ、回転式カッター等でペレット化されるが、そのペレット化の際、空冷、水冷等の冷却方法を使用するのが好ましい。空冷の際に使用する空気は、へパフィルター等で空気中の異物を事前に取り除いた空気を使用し、空気中の異物の再付着を防ぐのが望ましい。水冷を使用する際は、イオン交換樹脂等で水中の金属分を取り除き、さらにフィルターにて、水中の異物を取り除いた水を使用することが望ましい。用いるフィルターの目開きは、99%除去の濾過精度として10〜0.45μmであることが好ましい。
<製造様態の一例>
次に図を用いて、本実施の形態が適用される本発明の方法の一例を具体的に説明する。以下に説明する製造装置や原料、触媒は本発明の実施態様の一例であり、本発明は以下に説明する例に限定されるものではない。
図1と図2は、本発明の方法で用いる製造装置の一例を示す図である。図1はジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルを溶融させ、重縮合触媒と混合して反応器に送る原料調製工程を示す。図2はこれらの原料を溶融状態で複数の反応器を用いて重縮合反応させる重縮合工程を示す。
以下は、原料のジヒドロキシ化合物(A)として9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン(略称:BHEPF)と、ジヒドロキシ化合物(B)としてイソソルビド(略称:ISB)及びポリエチレングリコール(略称:PEG)と、原料の炭酸ジエステルとしてジフェニルカーボネート(略称:DPC)をそれぞれ用いた場合を例示して説明する。
BHEPFはフレコン2aから受入ホッパー2bへ投入され、槽内の窒素置換を行う。その後、窒素気流により、原料サイロ2dに移送される。BHEPFは原料サイロ2dの底部から連続的に排出され、計量フィーダー2eにより定量を行い、溶解槽2fに供給される。同時に別途溶融させたDPCが、定量ポンプ4bにより溶解槽2fに供給される。この際、後に混合される他のジヒドロキシ化合物の仕込み量も考慮して、全ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルが所定のモル比となるように、BHEPFとDPCの流量が制御される。
溶解槽2fではBHEPFとDPCを攪拌混合し、所定の滞留時間となるように液面が一定に制御される。原料の供給と同時に、底部からBHEPFとDPCの混合液を一定流量で溶解槽2iに移送する。溶解槽2iにおいても所定の滞留時間となるように液面を一定に制御される。完全に均一に溶解混合されたBHEPFとDPCの混合液は、定量供給ポンプ2kにより、所定流量で排出され、別途溶融されたISBとPEGと配管中で混合され、スタティックミキサー7aと原料フィルター7bを通って反応器に移送される。
溶解槽2fは、供給熱量が特に大きくなることがあるため、熱媒温度が過剰に高温にならないように、内部熱交換器2gが設けられる。また、溶解槽2fと2iには、混合をより効率的に行うため、上部パドル下部アンカー型攪拌翼が用いられる。
ISBはフレコン1aから受入ホッパー1bへ投入され、圧密により塊が生じている場合は解砕機1cにより、最大径が2cm以下の大きさに粉砕される。続いて、ISBは溶解槽1dに供給され、溶融される。槽底部から排出されたISBは続いて溶解槽1gに供給される。溶解槽1dと溶解槽1gのISBの供給量と排出量、および各溶解槽の液面は一定に保持される。溶解槽1gの底部からISB定量供給ポンプ1hにより、一定流量で反応器に移送される。
PEGはドラム缶3aを加熱し、粘度を低下させてから、PEG供給ポンプ3bにより、PEG溶解槽3cに移送される。槽底部からPEG定量供給ポンプ3dにより、所定の流量で反応器に供給される。
DPCは別に供給ラインを設けてあり、DPC定量供給ポンプ5bによりDPCの仕込み量を微調整することが可能である。
原料調製液はスタティックミキサー7aと原料フィルター7bを通して反応器に供給さ
れ、反応器の前で水溶液とした重合触媒を触媒タンク6aから触媒供給ポンプ6bにより供給され、混合される。
図2の製造装置の重縮合工程においては、第1竪型攪拌反応槽8a、第2竪型攪拌反応槽8b、第3竪型攪拌反応槽8c、第4横型攪拌反応器8dが直列に設けられる。各反応器では液面レベルを一定に保ち、重縮合反応が行われ、第1竪型攪拌反応槽8aの槽底より排出された重縮合反応液は第2竪型攪拌反応槽8bへ、続いて、第3竪型攪拌反応槽8cへ、第4横型攪拌反応器8dへと順次連続供給され、重縮合反応が進行する。各反応器における反応条件は、重縮合反応の進行とともに高温、高真空、低攪拌速度となるようにそれぞれ設定することが好ましい。
第1竪型攪拌反応槽8a、第2竪型攪拌反応槽8b及び第3竪型攪拌反応槽8cには、マックスブレンド翼9a、9b、9cがそれぞれ設けられる。また、第4横型攪拌反応器8dには、2軸メガネ型攪拌翼9dが設けられる。第3竪型攪拌反応槽8cと第4横型攪
拌反応器8dの後には移送する反応液が高粘度になるため、ギアポンプ11aと11bが設けられる。
第1竪型攪拌反応槽8aと第2竪型攪拌反応槽8bは、供給熱量が特に大きくなることがあるため、熱媒温度が過剰に高温にならないように、それぞれ内部熱交換器10a、10bが設けられる。
なお、これらの4器の反応器には、それぞれ、重縮合反応により生成する副生物等を排出するための留出管14a、14b、14c、14dが取り付けられる。第1竪型攪拌反応槽8aと第2竪型攪拌反応槽8bについては留出液の一部を反応系に戻すために、還流冷却器12a、12bと還流管13a、13bがそれぞれ設けられる。還流比は反応器の圧力と、還流冷却器の熱媒温度とをそれぞれ適宜調整することにより制御可能である。
留出管12a、12b、12c、12dは、それぞれ凝縮器13a、13b、13c、13dに接続し、また、各反応器は、減圧装置14a、14b、14c、14dにより、所定の減圧状態に保たれる。
各反応器にそれぞれ取り付けられた凝縮器15a、15b、15c、15dから、フェノール(モノヒドロキシ化合物)等の副生物が連続的に留出液回収タンク17aに送られ、液化回収される。また、第3竪型攪拌反応槽8cと第4横型攪拌反応器8dにそれぞれ取り付けられた凝縮器15c、15dの下流側にはコールドトラップ(図示せず)が設けられ、副生物が連続的に固化回収される。
所定の分子量まで上昇させた反応液は第4横型攪拌反応器8dから溶融ポリカーボネートとして抜き出され、ギアポンプ8bにより移送され、ペレット化されて製品となる。ペレット化の前に、押出機やポリマーフィルターを設けてもよい。押出機に移送される。押出機には真空ベントを設けることで、ポリカーボネート中の残存低分子成分が除去され、また、必要に応じて酸化防止剤や光安定剤や着色剤、離型剤などが添加される。ポリカーボネートを溶融状態のまま、ポリマーフィルターを通すことで、異物が濾過される。溶融樹脂はダイスヘッドからストランド状に抜き出され、水により樹脂を冷却した後、ストランドカッターでペレットにされる。この場合、反応液を固化させることなく、押出機やポリマーフィルターで処理することにより、ポリカーボネートに与えられる熱履歴を最小限に抑えることができる。
<連続製造装置における溶融重縮合の開始>
本実施の形態では、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの重縮合反応に基づく重縮合は、以下の手順に従い開始される。
先ず、図2に示す連続製造装置において、直列に接続された4器の反応器(第1竪型攪拌反応槽8a、第2竪型攪拌反応槽8b、第3竪型攪拌反応槽8c、第4横型攪拌反応器8d)を、予め、所定の内温と圧力とにそれぞれ設定する。ここで、各反応器の内温、熱媒温度と圧力とは、特に限定されないが、以下のように設定することが好ましい。
(第1竪型攪拌反応槽8a)
内温:130℃〜230℃、圧力:40kPa〜10kPa、加熱媒体の温度140℃〜240℃ 、還流比0.01〜10
(第2竪型攪拌反応槽8b)
内温:150℃〜230℃、圧力:40kPa〜8kPa、加熱媒体の温度160℃〜240℃、還流比0.01〜5
(第3竪型攪拌反応槽8c)
内温:170℃〜230℃、圧力:10kPa〜1kPa、加熱媒体の温度180℃〜240℃
(第4横型攪拌反応器8d)
内温:200℃〜260℃、圧力:1kPa〜10Pa、加熱媒体の温度210〜270℃
次に、図1の原料調製工程において、前述した工程により、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの溶融液を調製する。前述した4器の反応器の内温と圧力が、それぞれの設定値の±5%の範囲内に達した後に、前記ジヒドロキシ化合物と前記炭酸ジエステルが所定のモル比になるように、各定量供給ポンプの流量を調節し、一定流量で連続的に反応器に供給される。原料混合溶融液の供給開始と同時に、触媒定量供給ポンプ6bから触媒を連続供給し、重縮合反応を開始する。
重縮合反応が行われる第1竪型攪拌反応槽8aでは、重縮合反応液の液面レベルは、所定の平均滞留時間になるように一定に保たれる。第1竪型攪拌反応槽8a内の液面レベルを一定に保つ方法としては、通常、液面計等で液レベルを検知しながら槽底部のポリマー排出ラインに設けたバルブ(図示せず)の開度を制御する方法が挙げられる。
続いて、重縮合反応液は、第1竪型攪拌反応槽8aの槽底から排出され、第2竪型攪拌反応槽8bへ、続いて第2竪型攪拌反応槽8bの槽底から排出され、第3竪型攪拌反応槽8cへ逐次連続供給される。この前段反応工程において、副生するフェノールの理論量に対して50%から95%が留出され、オリゴマーが生成する。
次に、上記前段反応工程で得られたオリゴマーをギアポンプ11aにより移送し、水平回転軸と、この水平回転軸にほぼ直角に取り付けられた相互に不連続な攪拌翼とを有し、かつ水平回転軸の長さをLとし、攪拌翼の回転直径をDとしたときにL/Dが1〜15である横型攪拌反応器8dに供給して、後述するような後段反応を行なうのに適した温度・圧力条件下で、副生するフェノールおよび一部未反応モノマーを、留出管14dを介して系外に除去してポリカーボネートを生成させる。
この横型攪拌反応器8dは、1本または2本以上の水平な回転軸を有し、この水平回転軸に円板型、車輪型、櫂型、棒型、窓枠型などの攪拌翼を1種または2種以上組合せて、回転軸当たり少なくとも2段以上設置されており、この攪拌翼により反応溶液をかき上げ、または押し広げて反応溶液の表面更新を行なう横型高粘度液処理装置である。
なお、本明細書中、上記「反応溶液の表面更新」という語は、液表面の反応溶液が液表面下部の反応溶液と入れ替わることを意味する。
このように本発明で用いられる横型攪拌反応器は、水平軸と、この水平軸にほぼ直角に取り付けられた相互に不連続な攪拌翼とを有する装置であり、押出機と異なりスクリュー
部分を有していない。本発明の方法においては、このような横型攪拌反応器を少なくとも1器用いることが好ましい。
上記後段反応工程における反応温度は、通常200〜260℃、好ましくは210〜250℃の範囲であり、反応圧力は、通常13.3kPa〜10Pa、好ましくは1kPa〜10Paである。
本発明の方法において、横型攪拌反応器8dを、装置構造上、2軸ベント式押出機と比較してホールドアップが大きいものを用いることにより、反応液の滞留時間を適切に設定でき、かつ剪断発熱を抑制されることによって温度を下げることができ、より色調の改良された、機械的性質の優れたポリカーボネートを得ることが可能となる。
このように、本実施の形態では、図2に示す連続製造装置において、4器の反応器の内温と圧力が所定の数値に達した後に、原料混合溶融液と触媒とが予熱器を介して連続供給され、重縮合反応に基づく溶融重縮合が開始される。
このため、各反応器における重縮合反応液の平均滞留時間は、溶融重縮合の開始直後から定常運転時と同等となる。その結果、重縮合反応液は必要以上の熱履歴を受けることがなく、得られるポリカーボネート中に生じるゲルまたはヤケ等の異物が低減する。また色調も良好となる。
このようにして得られたポリカーボネートの分子量は、還元粘度で表すことができ、還元粘度は、通常0.20dL/g以上であり、0.30dL/g以上であることが好ましく、一方、通常1.20dL/g以下であり、1.00dL/g以下であることが好ましく、0.80dL/g以下であることがより好ましい。ポリカーボネートの還元粘度が低すぎると成形品の機械強度が小さくなる可能性があり、大きすぎると、成形する際の流動性が低下し、生産性や成形性を低下する傾向がある。尚、還元粘度は、溶媒として塩化メチレンを用い、ポリカーボネート濃度を0.6g/dLに精密に調製し、温度20.0℃±0.1℃でウベローデ粘度計を用いて測定する。
同様に本発明の方法で得られるポリカーボネートの溶融粘度は、温度240℃、剪断速度91.2sec-1において700Pa・s以上、3500Pa・s以下であることが好ましい。さらには800Pa・s以上、3200Pa・s以下が好ましく、特には900Pa・s以上3000Pa・s以下が好ましい。尚、溶融粘度は、たとえばキャピラリーレオメーター(東洋精機(株)製)を用いて測定する。
本発明の方法で製造されるポリカーボネート樹脂のガラス転移温度は100℃以上160℃以下であることが好ましく、より好ましくは110℃以上150℃以下である。ガラス転移温度が過度に低いと耐熱性が悪くなる傾向にあり、フィルム成形後に寸法変化を起こす可能性がある。また、ポリカーボネート樹脂を位相差フィルムとし、偏光板と張り合わせた場合には画像品質を下げる場合がある。一方、ガラス転移温度が過度に高いと、フィルム成形時にフィルム厚みのムラが生じたり、フィルムが脆くなるなど、成形安定性が悪化したりする場合があり、また、フィルムの透明性を損なう場合がある。
さらに、本発明の方法で得られるポリカーボネートは例えば、芳香族ポリカーボネート、芳香族ポリエステル、脂肪族ポリエステル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリオレフィン、アクリル、アモルファスポリオレフィン、ABS、ASなどの合成樹脂、ポリ乳酸、ポリブチレンスクシネートなどの生分解性樹脂、ゴムなどの1種又は2種以上と混練して、ポリマーアロイとしても用いることもできる。
本発明の方法で製造されるポリカーボネート樹脂は、種々の成形を行う前に、必要に応じて、熱安定剤、中和剤、紫外線吸収剤、離型剤、帯電防止剤、滑剤、潤滑剤、可塑剤、相溶化剤等の添加剤を、タンブラー、スーパーミキサー、フローター、V型ブレンダー、ナウターミキサー、バンバリーミキサー、押出機などで混合することもできる。
本発明の方法で製造されるポリカーボネート樹脂を用いたフィルムの製造法としては、溶融押出法が生産性の点から好ましい。溶融押出法においては、Tダイを用いて樹脂を押し出し、冷却ロールに送る方法が好ましく用いられる。この時の溶融温度はポリカーボネートの分子量、Tg、溶融流動特性などから決められるが、150℃〜300℃の範囲であり、170℃〜280℃の範囲がより好ましい。該温度が高すぎると熱劣化による着色や異物やシルバーの発生による外観不良、Tダイからのダイラインなどの問題が起きやすくなる。該温度が低すぎると粘度が高くなり、ポリマーの配向や応力歪みが残りやすい。製膜されたフィルムの位相差値は、20nm以下が好ましく、より好ましくは10nm以下である。フィルムの位相差値が大きすぎると、延伸して位相差フィルムとした際に位相差値のフィルム面内のばらつきが大きくなるので好ましくない。
前記のフィルムの製造法としては溶液キャスト法を用いることもできる。溶媒としては塩化メチレン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン、ジオキソラン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、トルエン、メチルエチルケトンなどが好適に用いられる。溶液キャスト法で得られるフィルム中の残留溶媒量は2重量%以下であることが好ましく、より好ましくは1重量%以下である。2重量%以上と残留溶媒量が多いとフィルムのガラス転移温度の低下が著しくなり耐熱性の点で好ましくない。
前記のフィルムの厚みとしては、20μm〜400μmの範囲が好ましく、より好ましくは30μm〜300μmの範囲である。かかるフィルムをさらに延伸して位相差フィルムとする場合には、該位相差フィルムの所望の位相差値、厚みを勘案して上記範囲内で適宜決めればよい。
かくして得られた未延伸フィルムを延伸配向させることにより、位相差フィルムを得ることができる。延伸方法としては縦一軸延伸、テンター等を用いる横一軸延伸、あるいはそれらを組み合わせた同時二軸延伸、逐次二軸延伸など公知の方法を用いることができる。延伸はバッチ式で行ってもよいが、連続で行うことが生産性において好ましい。さらにバッチ式に比べて、連続の方がフィルム面内の位相差のばらつきの少ない位相差フィルムが得られる。延伸温度はポリカーボネート樹脂のガラス転移温度に対して、(Tg−20℃)〜(Tg+30℃)の範囲であり、好ましくは(Tg−10℃)〜(Tg+20℃)の範囲内である。延伸倍率は目的とする位相差値により決められるが、縦、横それぞれ、1.05倍〜4倍、より好ましくは1.1倍〜3倍である。
本発明の方法で製造されるポリカーボネート樹脂を成形してなる透明フィルムは複屈折が0.0010以上であると好ましく、更には0.0014以上が好ましい。上記の透明フィルムを位相差フィルムとした場合、位相差は厚みに比例するため、複屈折が過度に小さいと、同じ位相差を発現させるためにはフィルム厚みを厚くしなければならず、薄型の機器には適合できない可能性がある。尚、上記複屈折は本発明の方法で製造されるポリカーボネート樹脂のガラス転移温度+15℃の延伸温度で固定端一軸延伸した透明フィルムを測定した値である。
本発明にかかる前記位相差フィルムは、公知のヨウ素系あるいは染料系の偏光板と粘着剤を介して積層貼合することにより、各種液晶表示装置、または有機EL表示装置用などの位相差板として用いることができる。
本発明にかかる前記透明フィルムは、波長450nmで測定した位相差(Re450)の、波長550nmで測定した位相差(Re550)に対する比は0.50以上1.0以下が好ましく、0.80以上0.95以下が更に好ましい。前記比率がこの範囲であれば、可視領域の各波長において理想的な位相差特性を得ることができる。例えば1/4波長板としてこのような波長依存性を有する位相差フィルムを作製し、偏光板と貼り合わせることにより、円偏光板等を作製することができ、色相の波長依存性が少ない偏光板および表示装置の実現が可能である。一方、前記比率がこの範囲外の場合には、色相の波長依存性が大きくなり、可視領域のすべての波長において光学補償がなされなくなり、偏光板や表示装置に光が通り抜けることによる着色やコントラストの低下などの問題が生じる。
本発明にかかる前記透明フィルムは、光弾性係数が50×10-12Pa-1以下であるこ
とが好ましく、40×10-12Pa-1以下であることが更に好ましい。光弾性係数が過度
に大きいと、位相差フィルムとした場合、偏光板と張り合わせると、画面の周囲が白くぼやけるような画像品質の低下が起きる可能性がある。特に大型の表示装置に用いられる場合にはこの問題が顕著に現れる。
本発明にかかる位相差フィルムは各種ディスプレイ(液晶表示装置、有機EL表示装置、プラズマ表示装置、FED電界放出表示装置、SED表面電界表示装置)の視野角補償用、外光の反射防止用、色補償用、直線偏光の円偏光への変換用などに用いることができる。
液晶表示装置としては、反射型表示方式の液晶パネルを備える反射型液晶表示装置が好ましい。偏光フィルム、1/4波長板、及び透明電極を有する2枚の基板間に液晶層を含む液晶セルをこの順で具備する反射型液晶表示装置であって、かかる1/4波長板として、液晶表示装置、特に偏光フィルム1枚型反射型液晶表示装置に用いることにより、画質に優れた表示装置を得ることが出来る。この反射型液晶表示装置とは、偏光フィルム、位相差フィルム、透明電極付基板、液晶層、散乱反射電極付基板の順に構成されているもの、偏光フィルム、散乱板、位相差フィルム、透明電極付基板、液晶層、鏡面反射電極付基板の順に構成されているもの、偏光フィルム、位相差フィルム、透明電極付基板、液晶層、透明電極付基板、反射層の順に構成されているもの等である。さらに、該1/4波長板は透過型と反射型の両方を兼ね備えた液晶表示装置においても使用し得る。該液晶表示装置の構成としては例えば、偏光フィルム、位相差フィルム、透明電極付基板、液晶層、反射透過兼用電極付基板、位相差フィルム、偏光フィルム、バックライトシステム等である。さらに、例えばコレステリック液晶よりなる左右どちらかの円偏光のみ反射する反射型偏光フィルムにおいて、円偏光を直線偏光に変換する素子として使用すれば、広帯域で良好な直線偏光が得られる。
本発明にかかるポリカーボネート樹脂は複屈折が小さく、耐熱性および成形性にも優れ、さらに着色が少なく高い透明性を兼ね備えているため、その他の光学フィルムや光ディスク、光学プリズム、ピックアップレンズ等にも用いることもできる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。
以下において、原料調製液、およびポリカーボネートの組成分析と物性の評価は次の方法により行った。
以下の実施例の記載の中で用いた化合物の略号は次の通りである。
・BHEPF:9,9−ビス(4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル)フルオレン (大阪ガスケミカル(株)製、商品名:BPEF、メディアン径57μm)
・BCF:9,9−ビス(4−ヒドロキシ−2−メチルフェニル)フルオレン (大阪ガスケミカル(株)製、商品名:BCF、メディアン径21μm))
・ISB:イソソルビド (ロケットフルーレ社製、商品名:POLYSORB PS)・PEG#1000:ポリエチレングリコール 数平均分子量1000(三洋化成(株)製)
・DPC:ジフェニルカーボネート(三菱化学(株)製)
1)原料混合液の色調(溶液YI)
ビーカーに試料20gを計量し、1,4−ジオキサン20gを加えて溶解した。光路長2cmのガラスセルに入れて、分光測色計CM−5(コニカミノルタ(株)製)により透過モードで測定を行い、溶液のイエローインデックス(YI)値を測定した。YI値が小さい程、黄色味が少ないことを示す。
2)溶解槽中のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルのモル比率
溶解槽の底部に取り付けられたバルブを開けて、ジヒドロキシ化合物(A)(実施例ではBHEPF)と炭酸ジエステルの溶融混合液を流し、そこからスパチュラを用いて50mg程度サンプリングした。試料をアセトニトリルに溶解し、試料濃度が200〜250重量ppmとなるように溶液を調製した。この試料溶液を検出波長220nmにてHPLCの測定を行い、BHEPFとDPCに由来するピーク面積を測定した。事前に既知の濃度のBHEPFとDPCの混合試料から求めた検量線により、DPC/BHEPFのモル比率を算出した。なお、溶解槽中でBHEPFとDPCはわずかに反応が進行しており、BHEPFの反応物に由来するピークは未反応のBHEPFとして、またDPCより生成したフェノールは未反応のDPCとしてモル比率の計算に加えた。
3)還元粘度
溶媒として塩化メチレンを用い、0.6g/dLの濃度のポリカーボネート溶液を調製した。森友理化工業(株)製ウベローデ型粘度管を用いて、温度20.0℃±0.1℃で測定を行い、溶媒の通過時間t0と溶液の通過時間tから次式より相対粘度ηrelを求め、ηrel=t/t0
相対粘度から次式より比粘度ηspを求めた。
ηsp=(η−η0)/η0=ηrel−1 比粘度を濃度c(g/dL)で割って、還元粘度
ηsp/cを求めた。この値が高いほど分子量が大きい。
4)ポリカーボネートのペレットYI値
ポリカーボネートの色相は、ASTM D1925に準拠して、ペレットの反射光におけるYI値(イエローインデックス値)を測定して評価した。装置はコニカミノルタ(株)製分光測色計CM−5を用い、測定条件は測定径30mm、SCEを選択した。シャーレ測定用校正ガラスCM−A212を測定部にはめ込み、その上からゼロ校正ボックスCM−A124をかぶせてゼロ校正を行い、続いて内蔵の白色校正板を用いて白色校正を行った。白色校正板CM−A210を用いて測定を行い、L*が99.40±0.05、a*が0.03±0.01、b*が−0.43±0.01、YIが−0.58±0.01となることを確認した。ペレットの測定は、内径30mm、高さ50mmの円柱ガラス容器にペレットを40mm程度の深さまで詰めて測定を行った。ガラス容器からペレットを取り出してから再度測定を行う操作を2回繰り返し、計3回の測定値の平均値を用いた。YI値が小さいほど樹脂の黄色味が少なく、色調に優れることを意味する。
5)ポリカーボネート中の各ジヒドロキシ化合物に由来する構造単位比の測定
ポリカーボネート中の各ジヒドロキシ化合物構造単位比は、ポリカーボネート30mgを秤取し、重クロロホルム約0.7mLに溶解し、これを内径5mmのNMR用チューブに入れ、1H NMRスペクトルを測定した。各ジヒドロキシ化合物に由来する構造単位
に基づくシグナル強度比より各ジヒドロキシ化合物に由来する構造単位比を求めた。用いた装置や条件は、次のとおりである。
・装置:日本電子(株)製JNM−AL400(共鳴周波数400MHz)
・測定温度:常温
・緩和時間:6秒
・積算回数:512回
6)位相差及び位相差の波長分散性
80℃で5時間真空乾燥したポリカーボネート樹脂サンプル4.0gを、幅8cm、長さ8cm、厚さ0.5mmのスペーサーを用いて、熱プレスにて熱プレス温度250℃で、予熱1分、圧力20MPaの条件で1分間加圧後、スペーサーごと取り出し、水管冷却式プレスで、圧力20MPaで3分間加圧冷却しフィルムを作製し、幅6cm、長さ6cmの試料を切り出した。この試料を、バッチ式二軸延伸装置(東洋精機産業(株)製)で、延伸温度をポリカーボネート樹脂のガラス転移温度+15℃、延伸速度を720mm/分(ひずみ速度1200%/min)で、延伸倍率2.0倍の一軸延伸を行った。このとき延伸方向に対して垂直方向は、保持した状態(延伸倍率1.0)で延伸を行った。
延伸された試料より幅4cm、長さ4cmに切り出し、位相差測定装置(王子計測機器(株)製KOBRA−WPR)を用いて測定波長450,500,550,590,630nmで位相差を測定し、波長分散性を測定した。波長分散性は、450nmと550nmで測定した位相差Re450とRe550の比(Re450/Re550)を計算した。位相差比が1より大きいと波長分散は正であり、1未満では負となる。それぞれの位相差の比が、1未満で小さい程、負の波長分散性が強いことを示している。
<原料溶融滞留の影響の検証>
[参考例1]
撹拌翼および100℃に制御された還流冷却器を具備した重合反応装置に、BHEPFとISBとPEG#1000と、蒸留精製して塩化物イオン濃度を10ppb以下にしたDPC、および酢酸マグネシウム4水和物を、モル比でBHEPF/ISB/PEG#1000/DPC/酢酸マグネシウム4水和物=0.432/0.556/0.012/1.020/1.50×10−5になるように仕込み、十分に窒素置換した(酸素濃度0.0005〜0.001vol%)。続いて熱媒で加温を行い、内温が100℃になった時点で撹拌を開始した。昇温を開始後40分で内温を220℃にし、内温が220℃に到達した時点でこの温度を保持するように制御すると同時に、減圧を開始し、220℃に到達してから90分で13.3kPa(絶対圧力、以下同様)にした。重合反応とともに副生するフェノール蒸気は、100℃の還流冷却器に導き、フェノール蒸気中に若干量含まれるモノマー成分を重合反応器に戻し、凝縮しないフェノール蒸気は続いて45℃の凝縮器に導いて回収した。
このようにしてオリゴマー化させた内容物を、一旦大気圧にまで復圧させた後、撹拌翼および100℃に制御された還流冷却器を具備した別の重合反応装置に移し、昇温および減圧を開始して、50分で内温245℃、圧力200Paにした。その後、20分かけて圧力133Pa以下にして、所定撹拌動力になった時点で復圧し、内容物をストランドの形態で抜出し、回転式カッターでペレットにした。
内温が220℃に到達してから60分後のフェノールの留出率は理論生成量の65%であった。得られたポリカーボネートの還元粘度は0.385dL/g、ペレットYIは30であった。これらの結果を表1に示す。
[参考例2]
参考例1と同じ原料の仕込みで反応を実施したが、事前に重合反応装置にBHEPFとDPCのみ仕込み、十分に窒素置換を行った後、内温を150℃に保持して、攪拌下、8時間溶融状態を保持した。その後、室温付近まで冷却した。続いて、ISBとPEG#1000と酢酸マグネシウム4水和物を仕込み、装置内を十分に窒素置換し、その後は参考例1と同様に反応を行った。
内温が220℃に到達してから60分後のフェノールの留出率は理論生成量の51%、得られたポリカーボネートのペレットYIは41であった。参考例1と比較して反応速度が低下し、得られたポリカーボネートの色調も悪化した。
[参考例3]
BCFとISBとPEG#1000とDPC、および酢酸カルシウム1水和物を、モル比でBCF/ISB/PEG#1000/DPC/酢酸カルシウム1水和物=0.242/0.739/0.019/1.020/3.0×10−5になるように仕込んだ以外は参考例1と同様に行った。
内温が220℃に到達してから60分後のフェノールの留出率は理論生成量の70%であった。得られたポリカーボネートの還元粘度は0.380dL/g、ペレットYIは43であった。
[参考例4]
参考例3と同じ原料の仕込みで反応を実施したが、事前に重合反応装置にBCFとDPCのみ仕込み、十分に窒素置換を行った後、内温を150℃に保持して、攪拌下、8時間溶融状態を保持した。その後、室温付近まで冷却した。続いて、ISBとPEG#1000と酢酸カルシウム1水和物を仕込み、装置内を十分に窒素置換し、その後は参考例1と同様に反応を行った。
内温が220℃に到達してから60分後のフェノールの留出率は理論生成量の53%、得られたポリカーボネートのペレットYIは60であった。参考例3と比較して反応速度が低下し、得られたポリカーボネートの色調も悪化した。
[まとめ]
表1に示したとおり、本発明で用いられるフルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物は、溶融状態で保管する間に反応性が低下し、さらには得られるポリカーボネートの色調も悪化することが分かる。
<連続重合プロセスによる検証>
[実施例1]
前述した図1に示した原料調製工程により、BHEPFとISBとPEG#1000とDPCの混合溶液を調製した。
フレコンに包装されたBHEPFを受入ホッパー2bに投入し、槽内を窒素置換した。窒素による気力輸送により、BHEPFを原料サイロ2dに移送した。底部から計量フィーダー2eにより、連続的に所定の流量で溶解槽2fに供給した。別の槽にてDPCを溶融させておき、BHEPFと同時にDPC定量供給ポンプ4bにより、所定流量で溶解槽2f(第一溶解槽)に供給した。原料のモル比は後に混合するISBとPEG#1000も合わせて、BHEPF/ISB/PEG#1000/DPC=0.432/0.556/0.012/1.020となるように混合した。溶解槽2fの内温が130℃となるように熱媒温度を調節し、槽底部の排出ラインに設けたバルブ(図示せず)の開度を制御しつつ液量を所定量に保持することにより、溶解槽2fの滞留時間を1.5時間に調節した。溶解槽2fの槽底部から排出されたBHEPFとDPCの混合液は溶解槽2i(第二溶解槽)に供給された。溶解槽2iの内温は110℃、滞留時間は1.5時間に調節した。溶解槽2iの底部から定量供給ポンプ2kにより、混合液を連続的に排出し、別途、溶融させたISBとPEG#1000とを前述の一定のモル比となるように混合して、反応器に供給した。溶解槽2iから反応器までの移送配管における原料の滞留時間は3分以内であった。
ISBはフレコンから受入ホッパー1bに投入し、解砕機1cを使用して圧密により生成した塊を最大径が2cm以下の大きさに砕き、溶解槽1dに移送した。解砕機1cと、解砕機1cから溶解槽1dを繋ぐ配管内には窒素を流通させた。溶解槽1dは内温が80℃となるように熱媒温度を調整し、槽底部の排出ラインに設けたバルブ(図示せず)の開度を制御しつつ液量を調節することにより、滞留時間を1.5時間とした。溶解槽1dの内部には窒素導入管を取り付け(図示せず)、溶解槽1dの液中に、酸素濃度が5ppm以下である窒素を吹き込んでバブリングさせた。溶解槽1dの底部から排出されたISBは溶解槽1gに供給された。溶解槽1gの内温は70℃、滞留時間は1.5時間に調節した。溶解槽1gの底部から定量供給ポンプ1hにより、溶融したISBを連続的に排出し、反応器に供給した。
PEG#1000はドラム缶を加熱し、粘度を低下させてから、供給ポンプ3bにより、溶解槽3cに受け入れた。溶解槽3cは内温を70℃に保持し、底部から定量供給ポンプ3dにより連続的に排出し、BHEPFとISBとDPCに混合した。
原料調製液はスタティックミキサー7aと原料フィルター7bを通して反応器に供給した。反応器の前で重縮合触媒として酢酸マグネシウム4水和物を全ジヒドロキシ化合物1molに対して15μmolとなるように触媒供給ポンプ6bから供給した。
BHEPF定量供給ポンプ2kの後に取り付けられたバルブからBHEPFとDPCの混合液をサンプリングし、前述の色調分析とモル比の分析を行った。混合液のYIは1.38であり、色調の悪化はほとんど見られなかった。また、混合液は48時間運転を続けた中で6時間おきにサンプリングを行った。その間のBHEPFとDPCのモル比はDPC/BHEPF=2.340〜2.382であり、2.361±0.89%であり、溶解槽中のBHEPFとDPCのモル比を非常に狭い範囲に調整することができた。
続いて、原料調製液は図2に示した重縮合工程に送られ、竪型攪拌反応槽3器及び横型攪拌反応器1器を有する連続製造装置により、以下の条件でポリカーボネートを製造した。
先ず、各反応器を表2のとおり、予め反応条件に応じた内温・圧力に設定した。
次に原料調製工程にて一定のモル比で混合されたBHEPFとISBとPEG#1000とDPC、および重縮合触媒とを、前述した所定温度・圧力の±5%の範囲内に制御した第1竪型攪拌反応槽8a内に連続供給し、平均滞留時間が60分になるように、槽底部のポリマー排出ラインに設けたバルブ(図示せず)の開度を制御しつつ、液面レベルを一定に保った。
第1竪型攪拌反応槽8aの槽底から排出された重縮合反応液は、引き続き、第2竪型攪拌反応槽8b、第3竪型攪拌反応槽8c、第4横型攪拌反応器8d(2軸メガネ翼、L/D=4)に、逐次、連続供給された。重縮合反応の間、表2に示した平均滞留時間となるように各反応器の液面レベルを制御した。第4横型攪拌反応器8dから抜き出された反応液はギアポンプ11bにより移送され、ペレット化工程によりストランド状に抜き出され、カッターによりペレット化した(図示せず)。
後段反応工程では、第4横型攪拌反応器8dの圧力を調節することにより、第4横型攪拌反応器出口の還元粘度ηsp/cが0.37から0.39の範囲となるように合わせ込んだ。48時間運転を行った際の圧力の調整範囲は0.6kPaから0.8kPaであり、ペレットYIは26から28の範囲で変動した。また、ポリカーボネートを構成する全ジヒドロキシ化合物中のBHEPFのモル比は43.1〜43.2mol%であり、品質の均一性は非常に優れていた。また、得られたポリカーボネートからフィルムを成形して波長分散の測定を行った。この結果を表3に示す。
[実施例2]
BHEPF溶解槽2fの内温を110℃とした以外は実施例1と同様に行った。実施例1と比較して、サンプリングしたBHEPF/DPC混合液の色調とポリマー色調は若干向上した一方、共重合組成の振れ幅や第4横型反応器8dの圧力範囲が広がったが、いずれも許容範囲内であった。共重合組成の振れ幅が広がった理由は、溶解槽2fにおけるBHEPFの溶解度が不足しており、移送時にモル比がずれてしまったことが考えられる。実際に溶解槽2iのDPC/BHEPFモル比率の分析値は2.321〜2.401であり、2.361±1.69%の変動範囲となり、実施例1よりも変動範囲が大きくなった。
[実施例3]
BHEPFの溶解時に溶解槽2fの1槽のみを用いて溶解させた。溶解槽2fの滞留時間を3時間に設定し、未溶解のBHEPFが残らないように溶解槽内温を調節したところ、150℃まで昇温する必要があった。実施例1と比較して、BHEPF/DPC混合液のYIが上昇しており、溶解工程中に劣化が進行していることが示唆された。
上記のとおり調製された原料を用いて、重縮合工程は実施例1と同様に実施したところ、第4横型攪拌反応器の圧力変動が若干大きくなり、得られたポリカーボネートは実施例1と比較して若干色調が悪化したがいずれも許容範囲内であった。
[比較例1]
BHEPFの溶解をバッチ式で行った。溶解槽2fと同様の第一溶解槽(図示せず)に溶融したDPCを仕込み、続いて、BHEPFを所定のモル比となるように供給した。ISBとPEG#1000も合わせた全原料の仕込みモル比は実施例1と同様である。第一溶解槽の内温を130℃にして、1.5時間攪拌混合した。次に槽底部から第二溶解槽(図示せず)に全量移送し、内温110℃で2時間保持した。槽底部から定量供給ポンプ(図示せず)により原料フィルター7bを通した後、重縮合触媒として酢酸マグネシウム4水和物を全ジヒドロキシ化合物1molに対して、15μmolとなるように供給した。上記のように調製された原料調製液は重縮合工程に送られ、実施例1と同様にしてポリカーボネートを製造した。
運転中は第二溶解槽の原料がなくなる前に、新たに第一溶解槽で原料を混合して、第二溶解槽に供給した。第二溶解槽では新たな原料が供給されるまで滞留時間が延び続けることになり、本比較例での最短の滞留時間は2時間、最長の滞留時間は12時間であった。溶解槽2iのDPC/BHEPFモル比率は2.279〜2.422となり、2.351
±3.04%となり、混合溶液のモル比率の変動が大きくなった。
上記のようにして得られたポリカーボネートは実施例1と比較して色調が悪化しただけでなく、分子量を一定範囲に収めるために第4横型反応器8dの圧力を調節したところ、実施例1よりも変動幅が広くなり操業が困難になった。さらに、得られたポリカーボネートの色調も悪化し、また色調のばらつきや共重合組成のばらつきも大きくなった。
[まとめ]
表3に示した結果から、原料ジヒドロキシ化合物の溶解にかかる温度および滞留時間を適切に設定することで、ポリカーボネートの品質を向上できるとともに、製品品質と運転条件が安定し、歩留まりが向上する利点も得られる。なお、実施例で得られポリカーボネートネートは、耐熱性、熱安定性、機械的強度のいずれも良好なものである。
1a:ISBフレコン
1b:ISB受入ホッパー
1c:解砕機
1d、1g:ISB溶解槽
1e:内部熱交換器
1f:上部パドル下部アンカー型攪拌翼
1h:ISB定量供給ポンプ
2a:BHEPFフレコン
2b:BHEPF受入ホッパー
2c:BHEPF空送ブロワー
2d:BHEPF原料サイロ
2e:BHEPF計量フィーダー
2f、2i:BHEPF溶解槽
2g:内部熱交換器
2h、2j:上部パドル下部アンカー型攪拌翼
2k:BHEPF定量供給ポンプ
3a:PEGドラム缶
3b:PEG供給ポンプ
3c:PEG溶解槽
3d:PEG定量供給ポンプ
4a、5a:DPC供給ライン
4b、5b:DPC定量供給ポンプ
6a:触媒タンク
6b:触媒定量供給ポンプ
7a:スタティックミキサー
7b:原料フィルター
8a:第1竪型攪拌反応槽
8b:第2竪型攪拌反応槽
8c:第3竪型攪拌反応槽
8d:第4横型攪拌反応器
9a、9b、9c:マックスブレンド翼
9d:2軸メガネ型攪拌翼
10a、10b:内部熱交換器
11a、11b:ギアポンプ
12a、12b:還流冷却器
13a、13b:還流管
14a、14b、14c、14d:留出管
15a、15b、15c、15d:凝縮器
16a、16b、16c、16d:減圧装置
17a:留出液回収タンク

Claims (21)

  1. 構造の一部にフルオレン部位を有するジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを、連続的に反応器に供給して溶融重縮合するポリカーボネートの製造方法であって、以下の条件1〜4をすべて満たすことを特徴とするポリカーボネートの連続的製造方法。
    1.ジヒドロキシ化合物(A)は室温で固体である。
    2.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを反応器に供給する前に混合して溶解する工程を含む。
    3.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによって、該ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を反応器に供給する。
    4.ジヒドロキシ化合物(A)を液化してから、反応器に供給するまでの滞留時間が0.05時間以上10時間以下である。
  2. 前記ジヒドロキシ化合物(A)の融点が炭酸ジエステルの融点より5℃以上高く、250℃以下である請求項1に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  3. 前記ジヒドロキシ化合物(A)が、下記構造式(1)で表されるジヒドロキシ化合物である請求項1又は2に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
    (上記一般式(1)中、R1〜R4はそれぞれ独立に、水素原子、置換若しくは無置換の炭素数1〜炭素数20のアルキル基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキル基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のアリール基を表し、Xは置換若しくは無置換の炭素数2〜炭素数10のアルキレン基、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のシクロアルキレン基、または、置換若しくは無置換の炭素数6〜炭素数20のアリーレン基を表す。m及びnはそれぞれ独立に0〜5の整数である。)
  4. 前記炭酸ジエステルを溶融液とし、少なくとも1つの溶解槽に供給して、ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を調製する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  5. 前記室温で固体のジヒドロキシ化合物(A)が、メディアン径200μm以下の粉体である請求項1乃至4のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  6. 前記ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルは、それぞれ計量フィーダー、あるいは流量計によって定量して溶解槽に供給される請求項1乃至5のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  7. 前記溶解槽内の溶融液中のジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルのモル比率を±3%以内に保持することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  8. 前記溶解槽が攪拌機と、加熱媒体が流通する熱交換器を具備する請求項1乃至7のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  9. 前記溶解槽の内温が160℃以下であり、かつ、内温と加熱媒体温度との差が50℃以下である請求項8に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  10. 前記溶解槽内部に保有しているジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを含有する混合液の容積をV[m]、該混合液と熱交換機との接触面積をS[m]とした時に、下記式(2)を満たす請求項8又は9に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
    V/S ≦ 0.4 (2)
  11. 前記溶解槽内部に保有しているジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルを含有する混合液の液面を溶解槽高さの70%以上に保持することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  12. 前記溶解槽は、直列に連結された2つ以上の溶解槽であり、下流側の溶解槽の前記加熱媒体の温度が上流側の溶解槽の加熱媒体温度以下である請求項8乃至11のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  13. 前記溶解槽内部の酸素濃度が0.5体積%以下である請求項1乃至12のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  14. 前記ジヒドロキシ化合物は、前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物をさらに含み、前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物は、構造の一部に下記式(3)で表される部位を有するジヒドロキシ化合物(B)を含む請求項1乃至13のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
    (但し、上記式(3)で表される部位が−CH2−OHの一部を構成する部位である場合
    、および前記フルオレン構造を有するジヒドロキシ化合物の一部を構成する部位である場合を除く。)
  15. 前記ジヒドロキシ化合物(B)が、環状構造を有し、かつエーテル構造を有する化合物である請求項14に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  16. 前記ジヒドロキシ化合物(B)が、下記構造式(4)で表される環状エーテル構造を有する化合物である請求項14又は15に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  17. 前記ジヒドロキシ化合物(A)以外のジヒドロキシ化合物は、前記ジヒドロキシ化合物(A)を液化する溶解槽とは別の溶解槽で液化される、請求項14乃至16のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  18. 反応に用いられるすべてのジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルを、反応器に投入される前にフィルターで濾過する請求項1乃至17のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  19. 反応器に供給される原料組成のうち、少なくとも1種のジヒドロキシ化合物の全ジヒドロキシ化合物に対する重量分率を、異なる重量分率に変更する組成切り替え工程を有し、上記組成切り替え工程の前の重量分率と組成切り替え工程後の重量分率の差が1wt%以上である請求項14乃至18のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
  20. 構造の一部にフルオレン部位を有するジヒドロキシ化合物(A)を含むジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとを、連続的に反応器に供給して溶融重縮合するポリカーボネートの製造方法であって、以下の条件1〜4をすべて満たすことを特徴とするポリカーボネートの連続的製造方法。
    1.ジヒドロキシ化合物(A)は室温で固体である。
    2.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを反応器に供給する前に混合して溶解する工程を含む。
    3.ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルとを溶解槽に連続的に供給すると同時に、該溶解槽からジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合溶融液を連続的に排出することによって、該ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの混合液を反応器に供給する。
    4.該ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの混合溶融液を調製してから、反応器に供給するまでの滞留時間が0.05時間以上8時間以下である。
  21. さらに以下の条件5を満足する、請求項1乃至20のいずれか1項に記載のポリカーボネートの連続的製造方法。
    5.溶解槽への前記ジヒドロキシ化合物(A)と炭酸ジエステルの供給量と溶解槽からの前記ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルの混合溶融液の排出量を一定にし、かつ等しくすることによって、溶解槽の内容液の液量が一定である。
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