JP7124199B2 - 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、2018年8月10日付の韓国特許出願第10-2018-0093986号および2019年8月8日付の韓国特許出願第10-2019-0096974号に基づく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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、ポリカーボネートおよびその製造方法に関する。より詳しくは、機械的物性に優れ、かつ耐候性と屈折率が向上した新規な構造のポリカーボネートおよび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って電機電子製品の外装材、自動車部品、建築素材、光学部品などの分野に多様に使わ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、最近ガラスおよびレンズに適用するなどの応用分野が拡大するにつれ、ポリカーボネート樹脂固有の物性は維持しながらも耐候性と屈折率などが向上した新規な構造のポリカーボネートの開発が求められている。
これにより、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るための研究が試みられている。しかし、殆どの技術が生産コストが高く、耐化学性や衝撃強度などが増加すると逆に透明性が低下し、透明性が向上すると耐化学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、かつ耐候性と屈折率にも優れた新規な構造のポリカーボネートに対する研究開発が依然として必要である。
本発明は、機械的物性に優れて、かつ耐候性と屈折率に優れたポリカーボネート、およびその製造方法を提供する。
本発明は、化学式1で表される繰り返し単位を含むポリカーボネートを提供する。
また、本発明は、化学式3で表される化合物、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、前記ポリカーボネートで製造される成形品を提供する。
以下、本発明の具体的な実施形態によるポリカーボネート、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。
本発明の一実施形態によれば、下記化学式1で表される繰り返し単位を含むポリカーボネートを提供する。
Figure 0007124199000001
上記化学式1中、
Xは、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数6~60のアリーレンであり、
Yは、酸素(O)または硫黄(S)であり、
nは、1~10の整数である。
前記ポリカーボネートは、5-memberedヘテロ環基を中心にして多様なアリーレン基が連結された官能基を含む新規な構造であって、既存のポリカーボネートが有する固有の特性の耐衝撃性、透明性、耐熱性などに優れ、かつ優れた耐候性および屈折率特性などをさらに示すことができる。
より詳しくは、本発明のポリカーボネートを構成する上記化学式1の繰り返し単位は、エステル基と5-memberedヘテロ環基を連結する構造を含むもので、エステル基のフリース転位(fries-rearrangement)反応による構造変化によって従来のポリカーボネートより優れた耐候性および屈折率効果を示すことができ、上記化学式1の構造内に含まれる繰り返し単位の含有量(n)、置換基X、Yの多様な構造によりポリカーボネートの耐候性および屈折率改善効果をさらに増加させることができる。
本発明のポリカーボネートは、上記化学式1で表される繰り返し単位のみからなるものであり得る。または、上記化学式1で表される繰り返し単位に加えて、異なる芳香族ジオール化合物に由来する繰り返し単位をさらに含み得る。
本発明の一実施形態によれば、本発明のポリカーボネートは、上記化学式1で表される繰り返し単位および下記化学式2で表される繰り返し単位を含み得る。
Figure 0007124199000002
上記化学式2中、
1~R4はそれぞれ独立して、水素、炭素数1~10のアルキル、炭素数1~10のアルコキシまたはハロゲンであり、
Zは、非置換またはフェニルで置換された炭素数1~10のアルキレン、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数3~15のシクロアルキレン、O、S、SO、SO2またはCOである。
本明細書において、炭素数6~60のアリーレンは単環式アリーレン基または多環式アリーレン基であり得る。具体的には、炭素数6~60のアリーレンは、炭素数6~30の単環式または多環式アリーレン;または炭素数6~20の単環式または多環式アリーレンであり得る。より具体的には、炭素数6~60のアリーレンは、単環式アリーレンとしてベンゼン、ビフェニル、ジフェニルメタン、ジフェニルプロパンまたはテルフェニルなどの芳香族炭化水素由来の2価の基などであり得、多環式アリールとしてナフタレン、アントラセン、フェナントレン、トリフェニレン、ピレン、ペリレン、クリセンまたはフルオレンなどの芳香族炭化水素由来の2価の基などであり得る。ただし、これらに限定されるものではない。また、前記炭素数6~60のアリーレンは、炭素数1~10のアルキル基で置換または非置換され得る。
本明細書において、フルオレンは置換され得、置換基2個が互いに結合してスピロ構造を形成することができる。前記フルオレンが置換される場合、
Figure 0007124199000003
などであり得る。ただし、これらに限定されるものではない。
本明細書において、アルキル基は炭素数1~10、または炭素数1~5の直鎖または分岐鎖のアルキル基であり得る。アルキル基の具体的な例としては、メチル、エチル、プロピル、n-プロピル、イソプロピル、ブチル、n-ブチル、イソブチル、tert-ブチル、sec-ブチル、1-メチル-ブチル、1-エチル-ブチル、ペンチル、n-ペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、tert-ペンチル、ヘキシル、n-ヘキシル、1-メチルペンチル、2-メチルペンチル、4-メチル-2-ペンチル、3,3-ジメチルブチル、2-エチルブチル、ヘプチル、n-ヘプチル、1-メチルヘキシル、オクチル、n-オクチル、tert-オクチル、1-メチルヘプチル、2-エチルヘキシル、2-プロピルペンチル、n-ノニル、2,2-ジメチルヘプチル、1-エチル-プロピル、1,1-ジメチル-プロピル、イソヘキシル、2-メチルペンチル、4-メチルヘキシル、5-メチルヘキシルなどがあるが、これらに限定されない。
本発明の一実施形態によれば、上記化学式1中の前記Yは、酸素(O)または硫黄(S)である。
また、上記化学式1中の前記Xは、
Figure 0007124199000004
であり得る。
また、上記化学式1中の前記nは1~10、または1~8、または1~4の整数である。
また、上記化学式2中の前記R1~R4はそれぞれ独立して、水素、または炭素数1~4のアルキルであり得る。または、前記R1~R4はそれぞれ独立して、水素、メチル、塩素または臭素であり得る。
また、上記化学式2中のZはそれぞれ独立して、非置換またはフェニルで置換された直鎖または分岐鎖の炭素数1~10のアルキレンであり、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り得る。
上記化学式1で表される繰り返し単位は、屈折率、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り、上記化学式1および2で表される繰り返し単位の重量比を調節して所望の物性のポリカーボネートを製造することができる。
本発明のポリカーボネートが、上記化学式1で表される繰り返し単位に加えて、化学式2で表される繰り返し単位をさらに含むとき、その重量比は特に限定されず、例えば上記化学式1で表される繰り返し単位および化学式2で表される繰り返し単位の重量比は99:1~1:99であり得る。
例えば、高屈折率のためには、上記化学式1で表される繰り返し単位を前記繰り返し単位の全重量に対して50重量%超、または60重量%以上、または70重量%以上かつ99重量%以下に含み得、好ましくは50重量%超~99重量%以下、より好ましくは70~99重量%で含み得る。一方、本発明のポリカーボネートは、高屈折率のために上記化学式1で表される繰り返し単位のみで、すなわち、前記繰り返し単位の全重量に対して上記化学式1で表される繰り返し単位100重量%で構成することもできる。
一方、耐候性の向上効果のためには、上記化学式1で表される繰り返し単位を前記繰り返し単位の全重量に対して5重量%以上、または10重量%以上かつ50重量%以下であり、好ましくは5~30重量%、より好ましくは10~30重量%で含み得る。
また、化学式1中のYが硫黄であれば高屈折率により有利であり、Yが酸素であれば耐候性により有利な特性を示すことができる。
また、化学式1中のXの構造によっても多様な特性を示すことができ、Xがフルオレン系であれば高屈折率特性がよく具現される。
上記のように置換基X、Yの種類および全体ポリカーボネートでの含有量を適切に調整することによって、用途に応じて所望の物性を有する新規なポリカーボネートを提供することができる。
前記ポリカーボネートの重量平均分子量(Mw)は目的と用途に合わせて適切に調整することができ、重量平均分子量は、GPC(gel permeation chromatograph)を用いて測定した標準ポリスチレン(PS standard)に対する換算数値を基準にして、28,000g/mol以上、または37,000g/mol以上、または38,000g/mol以上であり、かつ60,000g/mol以下、または55,000g/mol以下、または52,000g/mol以下であり得る。
また、前記ポリカーボネートのASTM D1238(300℃、1.2kgの条件)に基づいて測定した溶融指数(melt index)は、目的と用途に合わせて適切に調整することができ、3g/10min以上、または5g/10min以上、または7g/10min以上であり、かつ30g/10min以下、または20g/10min以下、または15g/10min以下であり得る。
また、前記本発明のポリカーボネートは、JIS-K-7142に基づいて測定した屈折率(nD)が1.58以上で、好ましくは1.58~1.68、または1.59~1.67、より好ましくは1.60~1.67である。
また、前記本発明のポリカーボネートは、ASTM D7869方法によりL、aおよびb値を測定した後、当該試験片をWeather-Ometer(登録商標)機械を用いて2250hrの耐候性条件にて放置した後に再び測定したL'、a'およびb'値から計算した耐候性(△E)が31以下で、好ましくは30以下、または29以下、または25以下、または20以下、または15以下、または13以下、または11以下である。前記耐候性は低いほど好ましいので、下限値は特に限定されないが、例えば1以上、または3以上、または5以上、または7以上または8以上である。
一方、本発明のさらに他の実施形態によれば、下記化学式3で表される化合物、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、前記ポリカーボネートの製造方法が提供される。
Figure 0007124199000005
上記化学式3中、
Xは、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数6~60のアリーレンであり、
Yは、酸素(O)または硫黄(S)であり、
nは、1~10の整数である。
本発明の一実施形態によれば、上記化学式3中のnは1以上、2以上、または3以上の整数であり、10以下、8以下、6以下または4以下の整数である。
また、前記組成物で上記化学式3の化合物は、nがそれぞれ1~10の範囲の化合物の混合物の形態で含まれる。
本発明の一実施形態によれば、上記化学式3の化合物の重量平均分子量は、目的と用途に合わせて適切に調整することができ、重量平均分子量は、GPC(gel permeation chromatograph)を用いて測定した標準ポリスチレン(PS Standard)に対する換算数値を基準にして、300g/mol以上、または500g/mol以上、または700g/mol以上であり、かつ5,000g/mol以下、または3,500g/mol以下、または2,000g/mol以下であり得る。
本発明の一実施形態によれば、上記化学式3中の前記Yは、酸素(O)または硫黄(S)である。
また、上記化学式3中の前記Xは、
Figure 0007124199000006
であり得る。
また、上記化学式3中の前記nは1~10、または1~8、または1~4の整数である。上記化学式3で表される化合物は、単独でまたは1種以上を混合した形態で使用することができる。
上記化学式3で表される化合物の具体的な例として、下記構造式の化合物が挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。
Figure 0007124199000007
上記構造式中のnは、上記化学式3で定義したとおりである。
上記化学式3で表される化合物は、下記のような反応式1によりエステル化反応によって合成することができ、後述する実施例でより具体化される。
Figure 0007124199000008
上記反応式1中のX、Yおよびnは、上記化学式3で定義したとおりである。
本発明の一実施形態によれば、下記化学式4で表される芳香族ジオール化合物をさらに含んで重合し得る。
Figure 0007124199000009
上記化学式4中、
1~R4はそれぞれ独立して、水素、炭素数1~10のアルキル、炭素数1~10のアルコキシ、またはハロゲンであり、
Zは非置換またはフェニルで置換された炭素数1~10のアルキレン、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数3~15のシクロアルキレン、O、S、SO、SO2またはCOである。
上記化学式4で表される芳香族ジオール化合物の具体的な例としては、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から選択される1種以上の化合物を含み得る。
また、前記カーボネート前駆体は、上記化学式3で表される化合物および上記化学式4で表される化合物を連結する役割を果たすもので、その具体的な例としては、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。
前記組成物が、単量体として上記化学式3で表される化合物とカーボネート前駆体のみを含む場合、上記化学式3で表される化合物は、前記組成物100重量%に対して70重量%以上、79重量%以上、または80重量%以上で、95重量%以下、90重量%以下、または89重量%以下で使用することができる。
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、19重量%以上、または20重量%以上で、35重量%以下、30重量%以下、または29重量%以下で使用することができる。
一方、前記重合時の前記組成物が単量体として上記化学式3で表される化合物、上記化学式4で表される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場合、上記化学式3で表される化合物は、前記組成物100重量%に対して10重量%以上、20重量%以上、または30重量%以上で、70重量%以下、50重量%以下、または40重量%以下で使用することができる。
また、上記化学式4で表される芳香族ジオール化合物は、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%以上で、70重量%以下、50重量%以下、または40重量%以下で使用することができる。
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、19重量%以上、または20重量%以上で、35重量%以下、30重量%以下、または29重量%以下で使用することができる。
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、分子量の調節が容易である。
前記重合温度は0℃~40℃、反応時間は10分~5時間が好ましい。また、反応中のpHは9以上または11以上を維持することが好ましい。
前記重合に使用できる溶媒としては、当業界でポリカーボネートの重合に使用される溶媒であれば特に限定されず、一例としてメチレンクロリド、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素を使用することができる。
また、前記重合は酸結合剤の存在下で行うことが好ましく、前記酸結合剤としては水酸化ナトリウム、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使用することができる。
また、前記重合時のポリカーボネートの分子量の調節のために、分子量調節剤の存在下で重合することが好ましい。前記分子量調節剤としては、炭素数1~20のアルキルフェノールを使用することができ、その具体的な例としては、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される。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0.01~10重量部、好ましくは0.1~6重量部を使用することができ、上記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ミド、テトラ-n-ブチルホスホニウムブロミドなどの3級アミン化合物、4級アンモニウム化合物、4級ホスホニウム化合物などの反応促進剤をさらに使用することができる。
本発明のさらに他の実施形態によれば、前記ポリカーボネートで製造される成形品を提供することができる。上述したように、前記化学式1で表される繰り返し単位を含むポリカーボネートは機械的物性に優れ、かつ耐候性も向上して従来に使用されていた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。前記化学式1および2で表される繰り返し単位の重量比を調節して所望の物性のポリカーボネートを製造することができる。
前記成形品は、本発明によるポリカーボネートの他にも、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から選択される1種以上をさらに含み得る。
前記成形品の製造方法の一例として、本発明によるポリカーボネートとその他添加剤をミキサーを用いてよく混合した後に、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み得る。
本発明によれば、機械的物性に優れ、かつ耐候性と屈折率が向上した新規な構造のポリカーボネートおよびその製造方法を提供することができる。
実施例1で製造した化合物の1H-NMRグラフである。 実施例2で製造した化合物の1H-NMRグラフである。 実施例3で製造した化合物の1H-NMRグラフである。 実施例4で製造した化合物の1H-NMRグラフである。 実施例5で製造した化合物の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ものではない。
実施例:ポリカーボネートの製造
[実施例1]
(1)BP-TPDCA(bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)の製造
Figure 0007124199000010
thiophene-2,5-dicarboxylic acid 15gを丸いフラスコにメチレンクロリド溶媒100mlに溶解した後、常温でオキサリルクロリド 24.3gおよびDMF 0.29gを滴下して4時間ほど常温で攪拌した。反応物が透明になり、気泡が発生しないと前記反応物を別途の精製過程なしにbisphenol A 41.7gとpyridine 27.6gおよびメチレンクロリド溶媒200mlにゆっくり添加して、24時間常温で攪拌した。35% HCl 50mlを添加して反応を終了した後、水とdichloromethaneを用いて洗浄した。最終化合物であるbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(重量平均分子量:1,300g/mol)を最終収率92%で得た。この時、nはそれぞれ1~4の化合物の混合物の形態で得られた。
前記化合物の1H-NMR(CDCl3-d1)は図1に示す。
(2)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)で常温保持が可能な2Lメイン反応器に、水247g、前記(1)で製造したbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate 138.8g、40重量%のNaOH 41g、MeCl2 165mlを投入して数分間攪拌させた。
窒素パージを止め、1L丸底フラスコにトリホスゲン23gとMeCl2 60gを入れてトリホスゲンを溶解させた後、溶解したトリホスゲン溶液をゆっくりBP-TPDCA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)1gを入れて10分間程度攪拌させた。攪拌が完了した後、40重量%のNaOH水溶液39.8gを入れた後、カップリング剤としてTEA 0.42g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おいて反応を終了するためにHClを投入してpHを3~4に下げた。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を再び投入して洗浄する過程を3~5回繰り返し行った。
洗浄が完了すると、ポリマー層のみを抽出し、メタノール、H2Oなどを用いた非溶媒を使用し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、PS standard基準重量平均分子量が50,000g/molであった。
[実施例2]
(1)BP-FDCA(bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate)の製造
Figure 0007124199000011
実施例1のthiophene-2,5-dicarboxylic acidの代わりに2,5-furandicarboxylic acid 15gを使用し、オキサリルクロリド26.8g、DMF 0.33g、bisphenol A 46.1gとpyridine 30.4gを使用したことを除いて実施例1と同様の方法で合成した。
最終化合物であるbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate(重量平均分子量:1,250g/mol)を最終収率87%で得た。この時、nはそれぞれ1~4の化合物の混合物の形態で得られた。
前記化合物の1H-NMR(acetone-d6)は図2に示す。
(2)ポリカーボネート樹脂の製造
実施例1のbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに前記(1)で製造したbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate 126.7gを使用したことを除いて、実施例1のポリカーボネート樹脂の製造方法と同様にしてポリカーボネートを製造した。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が50,000g/molであった。
[実施例3]
(1)BHP-TPDCA(bis(3-hydroxyphenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)の製造
Figure 0007124199000012
実施例1のthiophene-2,5-dicarboxylic acid 15gを使用し、オキサリルクロリド 24.3g、DMF 0.29g、bisphenol Aの代わりにresorcinol 20.1gとpyridine 41.4gを使用したことを除いて、実施例1と同様の方法で合成した。
最終化合物であるbis(3-hydroxyphenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(重量平均分子量:850g/mol)を最終収率97%で得た。この時、nはそれぞれ1~4の化合物の混合物の形態で得られた。
前記化合物の1H-NMR(acetone-d6)は図3に示す。
(2)ポリカーボネート樹脂の製造
実施例1のbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに前記(1)で製造したbis(3-hydroxyphenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate 75.4gを使用したことを除いて、実施例1のポリカーボネート樹脂の製造方法と同様にしてポリカーボネートを製造した。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。
[実施例4]
(1)BPF-TPDCA(bis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)の製造
Figure 0007124199000013
実施例1のthiophene-2,5-dicarboxylic acid 15gを使用し、オキサリルクロリド 24.3g、DMF 0.29g、bisphenol Aの代わりに4,4'-(9H-fluorene-9,9-diyl)diphenol 62.6gとpyridine 41.4gを使用したことを除いて実施例1と同様の方法で合成した。
最終化合物であるbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(重量平均分子量:1,800g/mol)を最終収率81%で得た。この時、nはそれぞれ1~4の化合物の混合物の形態で得られた。
前記化合物の1H-NMR(acetone-d6)は図4に示す。
(2)ポリカーボネート樹脂の製造
実施例1のbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに前記(1)で製造したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate 195.9gを使用したことを除いて、実施例1のポリカーボネート樹脂の製造方法と同様にしてポリカーボネートを製造した。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が50,000g/molであった。
[実施例5]
(1)BPF-FDCA(bis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate)の製造
Figure 0007124199000014
実施例1のthiophene-2,5-dicarboxylic acidの代わりに2,5-furandicarboxylic acid 15gを使用し、オキサリルクロリド24.3g、DMF0.29g、bisphenol Aの代わりに4,4’-(9H-fluorene-9,9-diyl)diphenol 69gとpyridine 45.6gを使用したことを除いて実施例1と同様の方法で合成した。
最終化合物であるbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate(重量平均分子量:1,760g/mol)を最終収率91%で得た。この時、nはそれぞれ1~4の化合物の混合物の形態で得られた。
前記化合物の1H-NMR(acetone-d6)は図5に示す。
(2)ポリカーボネート樹脂の製造
実施例1のbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに前記(1)で製造したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate 183.2gを使用したことを除いて、実施例1のポリカーボネート樹脂の製造方法と同様にしてポリカーボネートを製造した。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。
[実施例6]
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)で常温保持が可能な2Lメイン反応器に、水619g、前記実施例1の(1)で製造したbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(BP-TPDCA)15.4g、bisphenol A 111.3g、40重量%のNaOH 102.5g、MeCl2 195mlを投入して数分間攪拌させた。
窒素パージを止め、1L丸底フラスコにトリホスゲン62.81gとMeCl2 120mlを入れてトリホスゲンを溶解させた後、溶解したトリホスゲン溶液をゆっくりBP-TPDCAとBPAの混合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)2.5gを入れて10分間程度攪拌させた。攪拌が完了した後、40重量%のNaOH水溶液99.4gを入れた後、カップリング剤としてTEA 1.04g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おいて反応を終了するためにHClを投入してpHを3~4に下げた。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を再び投入して洗浄する過程を3~5回繰り返し行った。
洗浄が完了するとポリマー層のみを抽出し、メタノール、H2Oなどを用いた非溶媒を使用し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、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BP-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して10重量%で含まれていることを確認した。
[実施例7]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例2の(1)で製造したbis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate(BP-FDCA)15.84gを使用し、bisphenol A 110.65gを使用したことを除いて、実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。また、NMRの分析結果、BP-FDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して10重量%で含まれていることを確認した。
[実施例8]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例3の(1)で製造した(bis(3-hydroxyphenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(BHP-TPDCA)15.4gを使用し、bisphenol A 111.3gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BHP-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して10重量%で含まれていることを確認した。
[実施例9]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例4の(1)で製造したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate(BPF-TPDCA)15.4gを使用し、bisphenol A 111.3gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BPF-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して10重量%で含まれていることを確認した。
[実施例10]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例5の(1)で製造したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)furan-2,5-dicarboxylate(BPF-FDCA)15.4gを使用し、bisphenol A 111.3gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BPF-FDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して10重量%で含まれていることを確認した。
[実施例11]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例4の(1)で製造したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)38.5gを使用し、bisphenol A 107.2gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BP-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して30重量%で含まれていることを確認した。
[実施例12]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例4の(1)で合成したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)62.5gを使用し、bisphenol A 101.3gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。NMRの分析結果、BP-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して50重量%で含まれていることを確認した。
[実施例13]
実施例6で、bis(4-(2-(4-hydroxyphenyl)propan-2-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylateの代わりに実施例4の(1)で合成したbis(4-(9-(4-hydroxyphenyl)-9H-fluoren-9-yl)phenyl)thiophene-2,5-dicarboxylate)79.29gを使用し、bisphenol A 97.26gを使用したことを除いて実施例6と同様にして重合を行った。この時、製造されたポリカーボネートは、PS standard基準重量平均分子量が50,000g/molであった。NMRの分析結果、BP-TPDCA由来の繰り返し単位が前記繰り返し単位の全重量に対して70重量%で含まれていることを確認した。
[比較例1]
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)で常温保持が可能な2Lメイン反応器に、水619g、bisphenol A 116.5g、40重量%のNaOH 102.5g、MeCl2 195mlを投入して数分間攪拌させた。
窒素パージを止め、1L丸底フラスコにトリホスゲン62.81gとMeCl2 120mlを入れてトリホスゲンを溶解させた後、溶解したトリホスゲン溶液をゆっくりBPA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)2.5gを入れて10分間程度攪拌させた。攪拌が完了した後、40重量%のNaOH水溶液99.4gを入れた後、カップリング剤としてTEA 1.04g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おいて反応を終了するためにHClを投入してpHを3~4に下げた。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を再び投入して洗浄する過程を3~5回繰り返し行った。
洗浄が完了するとポリマー層のみを抽出し、メタノール、H2Oなどを用いた非溶媒を使用し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、PS standard基準重量平均分子量が49,000g/molであった。
<実験例:ポリカーボネートの物性評価>
前記実施例および比較例で製造したポリカーボネートの射出試験片の特性を下記の方法で測定し、その結果を表1に示す。
*重量平均分子量(Mw):高分子樹脂200mgを200ml Tetrahydrofuran(THF)溶媒に希釈して約1000ppmのサンプルを製造して、Agilent 1200 series GPC機器を用いて1ml/min FlowでRI detectorにより分子量を測定した。サンプルの分子量算出基準は、標準PSスタンダード(Standard)8種を測定して検量線を作成した後、これに基づいてサンプルの分子量を算出した。
*流れ性(MI):ASTM D1238(300℃、1.2kgの条件)に基づいて測定した。
*屈折率(nD):厚さ1/8インチの試験片に対してアッベ屈折計(Abbe'srefractometer)を用いて、JIS-K-7142の方法で測定した(23℃、波長589nm)。
*耐候性測定(ΔE):厚さ1/8インチの試験片に対してASTM D7869方法によりL、aおよびb値を測定した後、当該試験片をWeather-Ometer(登録商標)機械を用いて2250hrの耐候性条件にて放置した後、L'、a'およびb'値を再び測定した。これから下記式1により耐候性ΔEを計算した。
Figure 0007124199000015
Figure 0007124199000016
上記表1を参照すると、化学式3の単量体中でもチオフェン(thiophene)構造を含む単量体を用いて製造されたポリカーボネートは、フラン(furan)構造を含む単量体を用いて製造されたポリカーボネートより概して高屈折特性を示し、フラン構造を含む単量体を用いて製造されたポリカーボネートが耐候性の側面でさらに優れていた。
一方、比較例1の一般的なBPAポリカーボネートに比べて本発明の繰り返し単位を含む全ての実施例が耐候性に優れ、特に、化学式1の繰り返し単位を50重量%以下、好ましくは約10重量%で含むときに最も高い耐候性の向上効果を示した。
上記のような結果から、レンズなどの高屈折率用途のポリカーボネートを製造する場合チオフェン構造を含む化学式3の単量体を高含有量で含むことが好ましく、耐候性がさらに要求されるポリカーボネートを製造する場合フラン構造を含む化学式3の単量体を低含有量で含むことが有利で、用途に応じて含有量および単量体を調節して、所望の物性のポリカーボネートを製造することができる。

Claims (15)

  1. 下記化学式1で表される繰り返し単位からなる、ポリカーボネート。
    Figure 0007124199000017
    上記化学式1中、
    Xは、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数6~60のアリーレンであり、
    Yは、酸素(O)または硫黄(S)であり、
    nは、1~10の整数である。
  2. 下記化学式1で表される繰り返し単位と、下記化学式2で表される繰り返し単位とからなる、ポリカーボネート。
    Figure 0007124199000018
    上記化学式1中、
    Xは、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数6~60のアリーレンであり、
    Yは、酸素(O)または硫黄(S)であり、
    nは、1~10の整数である。
    Figure 0007124199000019
    上記化学式2中、
    1~R4はそれぞれ独立して、水素、炭素数1~10のアルキル、炭素数1~10のアルコキシまたはハロゲンであり、
    Zは、非置換またはフェニルで置換された炭素数1~10のアルキレン、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数3~15のシクロアルキレン、O、S、SO、SO2またはCOである。
  3. Xは下記構造式で表される化合物のうちの一つである、請求項1または2に記載のポリカーボネート。
    Figure 0007124199000020
  4. 1~R4はそれぞれ独立して、水素、または炭素数1~4のアルキルである、請求項3に記載のポリカーボネート。
  5. 上記化学式1で表される繰り返し単位は、前記繰り返し単位の全重量に対して5重量%~50重量%である、請求項2~4のいずれか一項に記載のポリカーボネート。
  6. 上記化学式1で表される繰り返し単位は、前記繰り返し単位の全重量に対して50重量%超~99重量%以下である、請求項2~4のいずれか一項に記載のポリカーボネート。
  7. JIS-K-7142に基づいて測定した屈折率(nD)が1.58~1.68である、請求項1~6のいずれか一項に記載のポリカーボネート。
  8. ASTM D7869方法により試験片のL、aおよびb値を測定した後、当該試験片を2250hrの耐候性条件にて放置した後、再び測定したL’、a’およびb’値から下記式1により計算した耐候性(△E)が31以下である、請求項1~7のいずれか一項に記載のポリカーボネート。
    Figure 0007124199000021
  9. ASTM D1238(300℃、1.2kgの条件)に基づいて測定した溶融指数(melt index)が3g/10min~30g/10minである、請求項1~7のいずれか一項に記載のポリカーボネート。
  10. 下記化学式3で表される化合物、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1~9のいずれか一項のポリカーボネートの製造方法。
    Figure 0007124199000022
    上記化学式3中、
    Xは、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数6~60のアリーレンであり、
    Yは、酸素(O)または硫黄(S)であり、
    nは、1~10の整数である。
  11. 上記化学式3中のXは下記構造式で表される化合物のうちの一つである、請求項10に記載のポリカーボネートの製造方法。
    Figure 0007124199000023
  12. 上記化学式3で表される化合物は下記構造式で表される化合物のうちの一つである、請求項10または11に記載のポリカーボネートの製造方法。
    Figure 0007124199000024
    上記構造式中のnは上記化学式3で定義したとおりである。
  13. 前記組成物は、下記化学式4で表される芳香族ジオール化合物をさらに含む、請求項10~12のいずれか一項に記載のポリカーボネートの製造方法。
    Figure 0007124199000025
    上記化学式4中、
    1~R4はそれぞれ独立して、水素、炭素数1~10のアルキル、炭素数1~10のアルコキシ、またはハロゲンであり、
    Zは非置換またはフェニルで置換された炭素数1~10のアルキレン、非置換または炭素数1~10のアルキルで置換された炭素数3~15のシクロアルキレン、O、S、SO、SO2またはCOである。
  14. 上記化学式4で表される芳香族ジオール化合物は、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から選択される1種以上の化合物である、請求項13に記載のポリカーボネートの製造方法。
  15. 請求項1~9のいずれか一項に記載のポリカーボネートで製造される、成形品。
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