JP7037556B2 - 官能化エチレン系ポリマーを生成するための方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年10月12日に出願された、米国仮特許出願第62/406,981号の利益を主張する。
a)官能化エチレン系ポリマーを形成するために、少なくとも1つのバレルを備える少なくとも1つの押出機内で第1の組成物を熱処理することと、
b)押出物を形成するために、官能化エチレン系ポリマーを、溶融形態で、押出することと、
c)押出物を冷却することと、
d)押出物をペレット化することと、を含み、
熱処理後の「過酸化物の消費の効率が、少なくとも1つの押出機内で≧91重量%であり、
押出機の「正規化供給率」が、≧0.0018(lbs/時)/(mm)3であり、
ステップc)について、押出物が押出機を出た後、かつ押出物がペレット化される前に、押出物が、冷却媒体中で官能化エチレン系ポリマーの結晶化温度Tc(℃)以下のペレット化温度Tpel(℃)に冷却される、プロセス。
a)官能化エチレン系ポリマーを形成するために、少なくとも1つのバレルを備える少なくとも1つの押出機内で第1の組成物を熱処理することと、b)押出物を形成するために、官能化エチレン系ポリマーを、溶融形態で、押出することと、c)押出物を冷却することと、d)押出物をペレット化することと、を含み、
熱処理後の「過酸化物の消費の効率が、少なくとも1つの押出機内で≧91重量%であり、
押出機の「正規化供給率」が、≧0.0018(lbs/時)/(mm)3であり、ステップc)について、押出物が押出機を出た後、かつ押出物がペレット化される前に、押出物が、冷却媒体中で官能化エチレン系ポリマーの結晶化温度Tc(℃)以下のペレット化温度Tpel(℃)に冷却される。結晶化温度Tc(℃)は、DSCによって判定することができる。
本明細書で使用される際、「極性化合物」という用語は、少なくとも1つのヘテロ原子(例えば、O、N、Si、S、P)を含む有機化合物を指す。極性化合物の実施例としては、限定されるものではないが、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸、およびクロトン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等の酸無水物、ビニルベンジルクロライド、ビニルベンジルブロマイド等のビニルベンジルハロゲン化物、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレート、ラウリルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、ラウリルメタクリレート等のアルキルアクリレートおよびメタクリレート、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジル、エタクリル酸グリシジル等のエチレン性不飽和オキシラン、を含む。好ましい化合物としては、無水マレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレートを含み、無水マレイン酸がより好ましい。米国特許第7,897,689号(第51欄~第54欄)も参照のこと。
押出機の実施例は、限定されるものではないが、同方向回転噛合二軸押出機、逆回転二軸押出機、接線二軸押出機、バス混練押出機、遊星押出機、および単軸押出機を含む。具体例としては、同方向回転噛合二軸押出機を含む。さらに、特徴の仕様は、長さ/直径(L/D比)、混合区分(ねじ設計)等の、設計仕様である。典型的には、単一押出機で、可能な最大のL/D比は、約60である。より長いL/D比については、2つの押出機が連結される。ねじ設計は、限定されるものではないが、混練ディスクブロック、左巻きねじ要素、タービン混合要素、ギア混合要素、およびそれらから作製された組み合わせのような、混合要素を含むものを含む。
本明細書で使用される際、「官能化エチレン系ポリマー」という用語は、共有結合によって連結された少なくとも1つの化学基(化学置換基)を含み、その基が少なくとも1つのヘテロ原子を含む、エチレン系ポリマーを指す。ヘテロ原子は、炭素または水素ではない原子として定義される。一般的なヘテロ原子としては、限定されるものではないが、酸素、窒素、ケイ素、硫黄、リンを含む。
好適なエチレン系ポリマーは、例えば、高密度ポリエチレン(HDPE)、線状低密度ポリエチレン(LLDPE)、超低密度ポリエチレン(ULDPE)、均一に分岐した線状エチレンポリマー、および均一に分岐した実質的に線状エチレンポリマー(つまり、均一に分岐した長鎖分岐エチレン系ポリマー)を含む。
本明細書に記載されるように、官能化エチレン系ポリマーを含む組成物もまた提供される。組成物は、1つ以上の添加剤を含み得る。添加剤は、限定されるものではないが、安定剤、顔料、核生成剤、充填剤、スリップ剤、難燃剤、および可塑剤を含む。典型的には、ポリマーおよびポリマー組成物は、1つ以上の安定剤、例えば、現在両方ともBASFによって供給される、IRGANOX 1010およびIRGAFOS 168等の、抗酸化剤で処理される。一般に、ポリマーは、押出または他の溶融プロセスの前に1つまたは複数の安定剤で処理される。
別段の記載がない限り、すべての試験方法は本開示の出願日現在のものである。
過酸化物の半減期
半減期の値は、溶媒中の希過酸化物溶液の分解を測定することによって得られる。半減期は、アレニウスの式から以下の様に計算することができる:Kd=A・e-Ea/RT、ここでAはアレニウス頻度因子であり、Eaは活性化エネルギであり、Tは試験温度であり、およびRは理想ガス定数である。半減期(t1/2)は、以下の式:t1/2=ln2/kdから計算される。「A」の値、および「Ea」の値は、各々文献(例えば、アルケマの文献)から判定することができる。この研究のためのデータを、ドデカン(溶媒)中で0.2Mの過酸化物を使用する、「www.arkemainc.com/pdf/HalfLife.xls」を通じて入手可能なアルケマの文献“Arkema Peroxide Half-Life Calculator,”2005 Arkema,Inc.から得た。
溶融粘度は、Brookfieldデジタル粘度計(モデルDV-III、バージョン3)および使い捨てアルミニウム試料チャンバを用いて、ASTM D 3236(177℃、350°F)に従って測定される。使用されるスピンドルは、一般に、10~100,000センチポアズの範囲内の粘度を測定するのに好適な、SC-31熱溶融型スピンドルである。試料をチャンバに注入し、次にこれをBrookfield Thermoselに挿入し、所定の位置に固定する。試料チャンバは、Brookfield Thermoselの底部に適合するノッチを底部に有していて、スピンドルが挿入され、回転しているときに、チャンバが回転させられないことを確実にする。試料(約8~10グラムのポリマーまたは樹脂)を、溶融した試料が試料チャンバ上部の約1インチ下になるまで、必要な温度に加熱する。粘度計装置を下降させ、スピンドルを試料室に浸す。粘度計上のブラケットがThermosel上に整列するまで、下降を続ける。粘度計の電源を入れ、粘度計のrpm出力に基づいて、合計トルク容量の40~60パーセントの範囲内のトルク読み取りをもたらす剪断率で動作するように設定する。約15分毎に、または値が安定するまで、毎分読み取り値を取得し、その時点で最終読み取り値を記録する。
エチレン系ポリマーのメルトインデックス(I2またはMI)をASTM D-1238、条件190℃/2.16kgに従って測定する。高いI2ポリマー(200g/モル以上のI2)について、メルトインデックスは、米国特許第6,335,410号、第6,054,544号、第6,723,810号に記載されるような、Brookfield粘度から好ましくは計算され、
エチレン系ポリマーの平均分子量および分子量分布は、Polymer Laboratories Model PL-210またはPolymer Laboratories Model PL-220のいずれかからなるクロマトグラフィーシステムを用いて判定される。カラムおよびカルーセルコンパートメントを、エチレン系ポリマーに対して140℃で動作させる。カラムは、3つのPolymer Laboratoriesの10ミクロンMixed-Bカラムである。溶媒は、1,2,4-トリクロロベンゼンである。試料を、「50ミリリットル中0.1グラムのポリマー」の溶媒の濃度で調製する。試料を調製するために使用される溶媒は、「200ppmのブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)」を含有する。試料を、160℃で2時間軽く撹拌することによって調製する。注入容積は、「100マイクロリットル」であり、流量は、1.0ml/分である。GPCカラムセットの較正は、Polymer Laboratories(UK)から購入した、狭い分子量分布のポリスチレン標準を用いて実行される。
示差走査熱量測定(DSC)は、塩基および官能化エチレン系ポリマー(PE)系試料の両方において、結晶化度、溶融温度、および結晶化温度を測定するために使用される。約5~8ミリグラムの試料を秤量し、DSC皿に設置する。蓋は、密閉雰囲気を確保するためにパン上でクリンプして閉じる。試料パンは、DSCセル内に設置され、次いで、約10℃/分の率で、PEについては180℃の温度に加熱される。試料をこの温度で3分間保持する。次いで、試料を10℃/分の率で、PEについては-60℃に冷却し、その温度で3分間等温に保持する。次に、試料を、完全に溶融するまで10℃/分の率で加熱する(第2の加熱)。パーセント結晶化度は、第2の熱曲線から判定された融解熱(Hf)を、PEについては292J/gの理論融解熱で除算し、この量に100を乗算することによって計算される(例えば、PEについて、% cryst.=(Hf/292J/g)×100))。特に明記しない限り、各ポリマーの融点(複数可)(Tm)は、上記のように、DSCから得られた第2の熱曲線(ピーク温度)から判定される。結晶化温度(Tc)を、第1の冷却曲線(ピーク温度)から同様に測定する。
密度測定のための試料は、ASTM D1928に従って調製される。ポリマー試料を、190℃および30,000psi(207MPa)で3分間、次いで21℃および30,000psi(207MPa)で1分間プレスする。測定は、ASTM D792、方法Bを使用して、1時間以内の試料加圧で行われる。
無水マレイン酸の濃度は、波数1791cm-1における無水マレイン酸のピーク高さの、ポリマー基準ピークに対する比によって判定され、それはポリエチレンの場合において、波数2019cm-1である。無水マレイン酸含有量は、この比に適切な校正定数を乗算することによって計算される。マレイン酸グラフト化オレフィン系ポリマー(ポリエチレンの基準ピークを有する)に使用される式は、式1に示されるように、以下の形態を有する。
MAH(重量%)=A*{[FTIRピーク面積@1791cm-1]/[FTIRピーク面積2019cm-1]+B*[FTIRピーク面積@1712cm-1]/[FTIRピーク面積@2019cm-1]}(式1)
官能化エチレン系ポリマー中の残留過酸化物を、キャピラリーガスクロマトグラフィーを使用して分析する。この方法は、フレームイオン化検出機(FID)を有するガスクロマトグラフィー(GC)を使用する。分析は、AGILENT 7683シリーズインジェクタを有するAGILENT 6890 Plus GC上で実行される。AGILENT EZChromソフトウェアを使用して、データを収集および分析する。残留過酸化物を、塩化メチレンを使用して抽出する。一度残留過酸化物が測定されると、過酸化物消費効率は、過酸化物消費効率=100×[(供給過酸化物-残留過酸化物)/(供給過酸化物)]、を用いて計算される。
この研究において使用された材料、およびそれらの特性は、表1Aおよび1Bに示される。
第1の組成物は、取り扱いおよび供給の容易さを高めるためにベースポリマー(AFFINITY GA 1875)、無水マレイン酸(MAH)、および鉱油で希釈(1:1重量対重量)した過酸化物(LUPEROX 101(POX))を含有する。白色鉱油(Penrecoから入手可能な「350 SUS」)を使用してPOXを希釈する。詳細な配合は、表1Dに示される。
グラフト反応を、直列に配置された2つの「92mm同時回転」二軸ねじ押出機で実行する。各押出機は、11のバレル(40L/D)を伴って構成され、88の合計L/D比を提供する。各押出機について、潜在的な最大ねじ速度は、625rpmであり、モーター出力は、700HPである。押出設定は、ペレット供給用の「ロスインウェイト式フィーダ」を装備し、POXおよび溶融MAHを、それぞれ第1の押出機のバレル4Bおよびバレル3Bで押出機に計量供給する。運転率は、1200~2000lbs/時である。不活性雰囲気を維持し、酸化を最小限に抑えるために、押出機1のバレル1内に、約5SCFHで注入する。押出機2のバレル10を真空(約20インチHg)にする。押出機1および押出機2の操作条件は、以下に示す通りである(温度は±15°Fである)。
押出機1:ねじ速度=475~600rpm、供給バレル-完全冷却、バレル#2:140°F(60℃)、バレル#3:248°F(120℃)、バレル#4:455°F(235℃)、バレル#5-11:550°F(288℃)。押出機2:ねじ速度=275rpm、バレル1~3:302°F(150℃)、バレル#4~11:始動(完全冷却)後の目標100°F(38℃)、移送ラインおよびギアポンプ:200°F(93℃)、ダイス:240°F(116℃)。
特定の実施例において、スクリーンチェンジャーおよび分流弁と組み合わせた、Gala Model 7水中ペレタイザを、押出生成物をペレット化するために使用する。水中ペレタイザの設定は、0.093インチの穴径を有する36のホールダイスからなる。平均ペレット水温は、約15℃であり、最大水スラリー流速を使用する。消泡剤を、ペレット化を援助し、ペレットの粘着を防止するために使用する。ある実施例において、湿式カットウォータースライドストランドペレタイザを使用し、これは公称0.125インチのダイス穴径が開口する、40のホールダイスからなる。ウォータースライドは、8つのスプレーゾーン(ゾーン当たり4つのスプレーノズル)を有し、得られたペレット/水スラリーを、スピンドライヤを使用して分離する。水温は、50°F~65°F(平均温度=57.5°F)に維持され、それは水スライドするために約60gpmで汲み上げられる。カッター速度は、約1200±150rpmである。結果を表2に示す。
溶融温度、平均滞留時間、合計反応時間、および過酸化物消費の推定効率の計算
平均滞留時間および溶融温度は、市販のソフトウェアAKRO-CO-TWIN SCREW、バージョン3を使用するシミュレーションを使用して計算される。AKRO-CO-TWIN SCREW、バージョン3ソフトウェアを使用する、溶融温度および平均滞留時間の計算は、S.BawiskarおよびJ.L.Whiteによる論文“A Composite Model for Solid Conveying,Melting,Pressure and Fill Factor Profiles in Modular Co-rotating Twin Screw Extruders,”International Polymer Processing,Vol XII(4),1997,pages 331-340において考察される。プロセスの平均滞留時間=押出物の合計充填容積/ポリマーの合計容積測定流量。押出機の容積の計算は、Booy M.L.による論文、“Geometry of Fully Wiped Twin Screw Equipment,”Polymer Engineering and Science,Volume 18,Issue 12,pages 973-984,September 1978に記載のプロセスを使用して判定することができる。充填容積は、ねじ設計における個々のねじ要素の流動特性に基づいて計算される。容積測定流量は、供給率および溶融密度に基づいている。
本出願は、例えば以下の発明を提供する。
[1] エチレン系ポリマーと、少なくとも1つの極性化合物と、少なくとも1つの過酸化物と、を含む、第1の組成物から「官能化エチレン系ポリマー」を形成するためのプロセスであって、前記プロセスが、少なくとも以下、
a)前記官能化エチレン系ポリマーを形成するために、少なくとも1つのバレルを備える少なくとも1つの押出機内で前記第1の組成物を熱処理することと、
b)押出物を形成するために、前記官能化エチレン系ポリマーを、溶融形態で押出することと、
c)前記押出物を冷却することと、
d)前記押出物をペレット化することと、を含み、
前記熱処理後の前記過酸化物の消費の効率が、前記少なくとも1つの押出機内で≧91重量%であり、
前記押出機の「正規化供給率」が、≧0.0018(lbs/時)/(mm) 3 であり、ステップc)のために、前記押出物が前記押出機を出た後、かつ前記押出物がペレット化される前に、前記押出物が、冷却媒体中で官能化エチレン系ポリマーの結晶化温度T c (℃)以下のペレット化温度T pel (℃)に冷却される、プロセス。
[2] 前記少なくとも1つの過酸化物が、≦(合計反応時間/3.5)の半減期(200℃で)を有する、[1]に記載のプロセス。
[3] 前記少なくとも1つの過酸化物が、以下のラジカル、a)Rがアルキルである、RCOO・、b)Rがアルキルである、RO・、またはc)Rがアルキルである、ROC(O)O・、から選択される少なくとも1つの一次ラジカルに分解する、[1]または[2]に記載のプロセス。
[4] 前記少なくとも1つの極性化合物が、無水物含有化合物および/またはカルボン酸含有化合物である、[1]~[3]のいずれか1項に記載のプロセス。
[5] 前記エチレン系ポリマーが、350°F(177℃)において、≦20,000cPの溶融粘度を有する、[1]~[4]のいずれか1項に記載のプロセス。
[6] 前記エチレン系ポリマーが、≦0.900g/ccの密度を有する、[1]~[5]のいずれか1項に記載のプロセス。
[7] 前記官能化エチレン系ポリマーが、350°F(177℃)において、≦15,000cPの溶融粘度を有する、[1]~[6]のいずれか1項に記載のプロセス。
[8] 前記官能化エチレン系ポリマーが、≦0.900g/ccの密度を有する、[1]~[7]のいずれか1項に記載のプロセス。
[9] [1]~[8]のいずれか1項に記載のプロセスから形成された官能化エチレン系ポリマー。
Claims (8)
- エチレン系ポリマーと、少なくとも1つの極性化合物と、少なくとも1つの過酸化物と、を含む、第1の組成物から「官能化エチレン系ポリマー」を形成するためのプロセスであって、前記プロセスが、少なくとも以下、
a)前記官能化エチレン系ポリマーを形成するために、少なくとも1つのバレルを備える少なくとも1つの押出機内で前記第1の組成物を熱処理することであって、前記熱処理の合計反応時間が43~72秒であることと、
b)押出物を形成するために、前記官能化エチレン系ポリマーを、溶融形態で押出することと、
c)前記押出物を、ウォータースライドストランドペレタイザを用いて冷却することと、
d)前記押出物をペレット化することと、を含み、
前記熱処理後の前記過酸化物の消費の効率が、前記少なくとも1つの押出機内で≧91重量%であり、
前記押出機の供給率が≧635.0kg/時(≧1400 lb/時)であり、前記押出機の「正規化供給率」が、≧0.00082(kg/時)/mm 3 (≧0.0018(lb/時)/(mm) 3 )であり、ステップc)のために、前記押出物が前記押出機を出た後、かつ前記押出物がペレット化される前に、前記押出物が、冷却媒体中で官能化エチレン系ポリマーの結晶化温度Tc(℃)以下のペレット化温度Tpel(℃)に冷却される、プロセス。 - 前記少なくとも1つの過酸化物が、≦(合計反応時間/3.5)の半減期(200℃で)を有する、請求項1に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの過酸化物が、以下のラジカル、a)Rがアルキルである、RCOO・、b)Rがアルキルである、RO・、またはc)Rがアルキルである、ROC(O)O・、から選択される少なくとも1つの一次ラジカルに分解する、請求項1または2に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの極性化合物が、無水物含有化合物および/またはカルボン酸含有化合物である、請求項1~3のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記エチレン系ポリマーが、350°F(177℃)において、≦20,000cPの溶融粘度を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記エチレン系ポリマーが、≦0.900g/ccの密度を有する、請求項1~5のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記官能化エチレン系ポリマーが、350°F(177℃)において、≦15,000cPの溶融粘度を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記官能化エチレン系ポリマーが、≦0.900g/ccの密度を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載のプロセス。
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