JP6464262B2 - コポリカーボネートおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2015年9月1日付韓国特許出願第10−2015−0123707号および2016年2月18日付韓国特許出願第10−2016−0019091号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、機械的物性に優れると共に、耐候性にも優れたコポリカーボネートとその製造方法に関する。
ポリカーボネート樹脂は、優れた衝撃強度、寸法安定性、耐熱性および透明性などの物性により電気電子製品の外装材、自動車部品、建築素材、光学部品などの分野に多様に用いられている高分子素材である。
このようなポリカーボネート樹脂は、最近、応用分野が拡大することに伴い、ポリカーボネート樹脂固有の物性は維持しながらも耐熱性と耐候性などが向上した新規な構造のコポリカーボネートの開発が要求されている。
そのために、2種以上の互いに異なる構造の芳香族ジオールを共重合して構造が異なる単位体をポリカーボネートの主鎖に導入して所望の物性を得ようとする研究が試みられている。しかし、大部分の技術が生産単価が高く、耐薬品性や衝撃強度などが増加すれば反対に透明性が低下し、透明性が向上すれば耐薬品性や衝撃強度などが低下するなどの限界がある。
そこで、硬度などの機械的物性に優れると共に、耐候性にも優れた新規な構造のコポリカーボネートに対する研究開発が依然として必要な実情である。
本発明の目的は、機械的物性に優れると共に、耐候性にも優れたコポリカーボネートと、その製造方法を提供することにある。
本発明は、下記の化学式1で表される繰り返し単位および下記の化学式2で表される繰り返し単位を含み、重量平均分子量が1,000乃至100,000g/molである、コポリカーボネートを提供する。
また、本発明は、下記の化学式3で表される化合物、芳香族ジオール化合物およびカーボネート前駆体を含む組成物を重合する段階;を含む、前記コポリカーボネートの製造方法を提供する。
また、本発明は、前記コポリカーボネートで製造される成形品を提供する。
以下、発明の具体的な実施形態に係るコポリカーボネート、その製造方法および成形品についてより詳細に説明する。
発明の一実施形態によれば、下記の化学式1で表される繰り返し単位および下記の化学式2で表される繰り返し単位を含み、重量平均分子量が1,000乃至100,000g/molである、コポリカーボネートが提供され得る。
前記化学式1で、
1乃至R8は、それぞれ独立して、水素またはC1-10アルキルであり、
Yは、C1-10アルキレンであり、
Zは、結合、−OCO−または−COO−であり、
1乃至X2は、それぞれ独立して、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOであり、
前記化学式2で、
9乃至R12は、それぞれ独立して、水素、C1-10アルキル、C1-10アルコキシ、またはハロゲンであり、
3は、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOである。
特に、前記コポリカーボネートは、チオ(Thio)作用基を中心にアルキル鎖(Alkyl chain)が連結された作用基を含むため、従来のポリカーボネートが有する固有の特性である耐衝撃性、透明性、耐熱性などに優れると共に、優れた流動性および耐候性特性などを追加的に示すことができる。
この時、前記Yは、C1-5アルキレンであることが好ましい。
また、前記R1乃至R8は、それぞれ独立して、水素、またはC1-4アルキルであることが好ましい。
そして、前記R9乃至R12は、それぞれ独立して、水素、メチル、クロロ、またはブロモである。また好ましくは、X1乃至X3は、それぞれ独立して、非置換されたりまたはフェニルで置換された直鎖または分枝鎖のC1-10アルキレンであり、より好ましくは、メチレン、エタン−1,1−ジイル、プロパン−2,2−ジイル、ブタン−2,2−ジイル、1−フェニルエタン−1,1−ジイル、またはジフェニルメチレンである。また好ましくは、X1乃至X3は、シクロヘキサン−1,1−ジイル、O、S、SO、SO2、またはCOである。
また、前記化学式1で表される繰り返し単位と、化学式2で表される繰り返し単位のモル比は、1:0.001乃至1:1、好ましくは1:0.001乃至1:0.3であってもよい。
前記化学式1で表される繰り返し単位は、流動性および耐候性に優れた特徴があり、化学式2で表される繰り返し単位は、透明性と耐衝撃性に優れた特徴があるが、これらを前記モル比に含む時、製造されるコポリカーボネートがより優秀な機械的物性、流動性および耐候性を示すことができるため好ましい。
また、前記コポリカーボネートは、重量平均分子量が1,000乃至100,000g/mol、好ましくは10,000乃至100,000g/mol、より好ましくは10,000乃至40,000g/molであってもよい。
また、前記コポリカーボネートは、ASTM G155に準拠して測定した黄色度変化量(dYI)が20以下、好ましくは1乃至15、より好ましくは3乃至13であってもよい。
一方、発明の他の実施形態によれば、下記の化学式3で表される化合物、芳香族ジオール化合物およびカーボネート前駆体を含む組成物を重合する段階;を含む、前記コポリカーボネートの製造方法が提供され得る。
前記化学式3で、
1乃至R8は、それぞれ独立して、水素またはC1-10アルキルであり、
Yは、C1-10アルキレンであり、
Zは、結合、−OCO−または−COO−であり、
1乃至X2は、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOである。
そして、前記芳香族ジオール化合物は、化学式4で表される化合物であって、前記化学式2に対応する。
前記化学式4で、X3およびR9乃至R12は、前記化学式2の定義と同意義である。
前記芳香族ジオール化合物の具体的な例として、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホキシド、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、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)プロパン(ビスフェノールA)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン(ビスフェノールZ)、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジブロモフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジクロロフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−ブロモフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−クロロフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパンおよび1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1−フェニルエタンからなる群より選択された1種以上の化合物を含むことができる。
また、前記カーボネート前駆体は、前記化学式3で表される化合物および前記化学式4で表される化合物を連結する役割を果たすものであり、その具体的な例としてホスゲン、トリホスゲン、ジホスゲン、ブロモホスゲン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジシクロヘキシルカーボネート、ジフェニルカーボネート、ジトリルカーボネート、ビス(クロロフェニル)カーボネート、m−クレシルカーボネート、ジナフチルカーボネート、ビス(ジフェニル)カーボネートまたはビスハロホルメートが挙げられる。
前記重合時、前記化学式3で表される化合物は、前記組成物100重量%に対して0.1重量%以上、1重量%以上、または3重量%以上であり、20重量%以下、10重量%以下、または7重量%以下を用いることができる。
また、前記芳香族ジオール化合物は、前記組成物100重量%に対して40重量%以上、50重量%以上、または55重量%以上であり、80重量%以下、70重量%以下、または65重量%以下を用いることができる。
また、前記カーボネート前駆体は、前記組成物100重量%に対して10重量%以上、20重量%以上、または30重量%であり、60重量%以下、50重量%以下、または40重量%以下を用いることができる。
この時、前記重合は、界面重合で行うことが好ましく、界面重合時に常圧と低い温度で重合反応が可能であり、分子量調節が容易である。
前記重合温度は、0℃乃至40℃、反応時間は10分乃至5時間が好ましい。また、反応中のpHは9以上または11以上に維持することが好ましい。
前記重合に用いることができる溶媒としては、当業界でコポリカーボネートの重合に用いられる溶媒であれば特に制限されず、一例としてメチレンクロライド、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素を用いることができる。
また、前記重合は、酸結合剤の存在下に行うことが好ましく、前記酸結合剤として水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物またはピリジンなどのアミン化合物を用いることができる。
また、前記重合時にコポリカーボネートの分子量調節のために、分子量調節剤の存在下に重合することが好ましい。前記分子量調節剤としてC1-20アルキルフェノールを用いることができ、その具体的な例としてp−tert−ブチルフェノール、p−クミルフェノール、デシルフェノール、ドデシルフェノール、テトラデシルフェノール、ヘキサデシルフェノール、オクタデシルフェノール、エイコシルフェノール、ドコシルフェノールまたはトリアコンチルフェノールが挙げられる。前記分子量調節剤は、重合開始前、重合開始中または重合開始後に投入することができる。前記分子量調節剤は、前記芳香族ジオール化合物100重量部に対して0.01乃至10重量部、好ましくは0.1乃至6重量部を用いることができ、この範囲内で所望の分子量を得ることができる。
また、前記重合反応の促進のために、トリエチルアミン、テトラ−n−ブチルアンモニウムブロマイド、テトラ−n−ブチルホスホニウムブロマイドなどの3次アミン化合物、4次アンモニウム化合物、4次ホスホニウム化合物などのような反応促進剤を追加的に用いることができる。
発明のまた他の実施形態によれば、前記コポリカーボネートで製造される成形品が提供され得る。前述したとおり、前記化学式1で表される繰り返し単位を含むコポリカーボネートは、機械的物性に優れると共に、耐候性も向上して従来用いられていたコポリカーボネートで製造される成形品に比べて応用分野が広い。
前記成形品は、本発明によるコポリカーボネート以外に、必要に応じて酸化防止剤、可塑剤、帯電防止剤、核剤、難燃剤、滑剤、衝撃補強剤、蛍光増白剤、紫外線吸収剤、顔料および染料からなる群より選択された1種以上を追加的に含むことができる。
前記成形品の製造方法の一例として、本発明によるコポリカーボネートとその他添加剤をミキサーを利用してよく混合した後、押出機で押出成形してペレットで製造し、前記ペレットを乾燥させた後、射出成形機で射出する段階を含むことができる。
本発明によれば、機械的物性に優れると共に、耐候性にも優れたコポリカーボネートとこれを製造できる方法が提供され得る。
実施例1で製造した化合物の1H−NMRグラフである。 実施例1で製造したコポリカーボネートの1H−NMRグラフである。
発明を下記の実施例でより詳細に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例により限定されるのではない。
実施例:コポリカーボネートの製造
実施例1
(1)bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateの製造
3,3’−チオジプロピオン酸(3,3’−Thiodipropionic acid)5gを丸いフラスコにメチレンクロライド溶媒50mlに溶解した後、常温でオキサリルクロライド7.47gおよびDMF0.001gを滴加して4時間程度常温で攪拌し、減圧回転蒸発器を通じて溶媒を除去して3,3−Thiodipropionic chlorideを得た。そして、得た3,3’−Thiodipropionic chlorideを他の精製過程なしにジクロロメタン(Dichloromethane)50mlに溶かした後、ビスフェノールA(BisphenolA)13.12gとNaOH2.3gおよび水50mlに徐々に添加して24時間常温で攪拌した。HCl50mlを添加して反応を終結した後、水とジクロロメタン(Dichloromethane)で洗浄した。最終化合物であるbis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateを最終収率85%に得た。
前記化合物の1H−NMRは図1に示した。
(2)コポリカーボネート樹脂の製造
窒素パージとコンデンサが備えられ、サーキュレーター(circulator)で常温維持が可能な2Lのメイン反応器に水620g、BPA116.24g、前記(1)で製造したbis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionate0.6g、NaOH102.5g、MeCl2200mlを投入し、数分間攪拌した。
窒素パージを中止して1Lの丸底フラスコにトリホスゲン62gとMeCl2120gを入れてトリホスゲンを溶解した後、溶解されたトリホスゲン溶液を徐々にBPA溶液が溶けているメイン反応器に投入し、投入が完了するとPTBP(p−tert−ブチルフェノール)2.28gを入れて10余分間攪拌した。攪拌が完了した後、40重量%のNaOH水溶液97gを入れた後、カップリング剤としてTEA1.16gを投入した。この時、反応pHは11〜13を維持した。十分に反応が行われるように時間を置いて反応を終結するためにHClを投入してpHを3〜4に落とした。そして、攪拌を中止してポリマー層と水層を分離した後、水層は除去し、純粋なH2Oを再び投入して水洗する過程を3〜5回繰り返して行った。
水洗が完全に行われると、ポリマー層のみを抽出し、メタノール、H2Oなどを利用した非溶媒を用いて再沈法でポリマー結晶体を得た。この時、製造されたポリカーボネートは、重量平均分子量が31,000g/molであった。
このように製造したコポリカーボネートの1H−NMRは図2に示した。
実施例2
BPAの使用量を115.5gに変更し、bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateの使用量を2.4gに変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
実施例3
BPAの使用量を114.2gに変更し、bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateの使用量を5.8gに変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
実施例4
BPAの使用量を111.6gに変更し、bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateの使用量を12.6gに変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
実施例5
PTBPの使用量を1.97gに変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
実施例6
PTBPの使用量を3.41gに変更したことを除き、前記実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
比較例1
bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateを用いず、BPAを116.47g用いたことを除き、実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
比較例2
bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateを用いず、BPAを116.47g用い、PTBPを1.97g用いたことを除き、実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
比較例3
bis−(4−(2−(4−hydroxyphenyl)propan−2−yl)phenyl)3,3’−thiodipropionateを用いず、BPAを116.47g用い、PTBPを3.41g用いたことを除き、実施例1と同様な方法でポリカーボネートを製造した。
実験例:コポリカーボネートの物性評価
前記実施例1および比較例1で製造したポリカーボネートの射出試片の特性を下記の方法で測定し、その結果を表1に示した。
*重量平均分子量(g/mol):Agilent 1200 seriesを利用して、PC standardで検量して測定した。
*流れ(MI):ASTM D1238(300℃、1.2kg条件)に基づいて測定した。
*ガラス転移温度(Tg、℃):示差走査熱量分析器(Differential Scanning Calorimetry、DSC)
*衝撃強度(IMP、J/m):ASTM D256(1/8 inch、Notched Izod)に準拠して23℃で測定した。
*耐候性(dYI、500time):キセノンウェザオメータ(Xenon Whether O meter)を利用してASTM G155に準拠して試片の黄色度(Yellow Index)の変化量(dYI)を測定した。
前記表1を参照すると、実施例1で製造したコポリカーボネートは、一般的なポリカーボネートである比較例1と比較して同等の水準の衝撃強度を示すだけでなく、非常に優れた流れ性を示すことを確認できる。
また、このような実施例のコポリカーボネートは、ポリカーボネート樹脂固有の物性は維持しながらも、各種気候に耐える性質である耐候性が非常に優れているため、電気電子製品の外装材、自動車部品、建築素材のような多様な分野への適用が容易である。

Claims (8)

  1. 下記の化学式1で表される繰り返し単位および下記の化学式2で表される繰り返し単位からなり
    重量平均分子量が1,000乃至100,000g/molである、コポリカーボネート。

    (前記化学式1で、
    1乃至R8は、それぞれ独立して、水素またはC1-10アルキルであり、
    Yは、C1-10アルキレンであり、
    Zは、単結合、−OCO−または−COO−であり、
    1乃至X2は、それぞれ独立して、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOである。)

    (前記化学式2で、
    9乃至R12は、それぞれ独立して、水素、C1-10アルキル、C1-10アルコキシ、またはハロゲンであり、
    3は、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOである。)
  2. Yは、C1-5アルキレンであることを特徴とする、請求項1に記載のコポリカーボネート。
  3. 前記R1乃至R8は、それぞれ独立して、水素、またはC1-4アルキルであることを特徴とする、請求項1または2に記載のコポリカーボネート。
  4. 前記化学式2で表される繰り返し単位と、化学式1で表される繰り返し単位のモル比は、1:0.001乃至1:1である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のコポリカーボネート。
  5. ASTM G155に準拠して測定した黄色度変化量(dYI)が20以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のコポリカーボネート。
  6. 下記の化学式3で表される化合物、芳香族ジオール化合物およびカーボネート前駆体を含む組成物を重合する段階;を含む、請求項1に記載のコポリカーボネートの製造方法。

    (前記化学式3で、
    1乃至R8は、それぞれ独立して、水素またはC1-10アルキルであり、
    Yは、C1-10アルキレンであり、
    Zは、単結合、−OCO−または−COO−であり、
    1乃至X2は、非置換されたりまたはフェニルで置換されたC1-10アルキレン、非置換されたりまたはC1-10アルキルで置換されたC3-15シクロアルキレン、O、S、SO、SO2、またはCOである。)
  7. 前記化学式3で表される化合物は、前記組成物100重量%に対して0.1重量%以上および20重量%以下を用いることを特徴とする、請求項6に記載のコポリカーボネートの製造方法。
  8. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のコポリカーボネートで製造される、成形品。
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