JP7204687B2 - 亜鉛触媒を使用するポリ(トリメチレンフランカルボンキシレート)の調製方法 - Google Patents

亜鉛触媒を使用するポリ(トリメチレンフランカルボンキシレート)の調製方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年2月24日に出願された米国仮特許出願第62/462,948号に基づく優先権を主張し、これはその全体が参照により本明細書に援用される。
本明細書の開示は、亜鉛触媒を使用するポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)の製造方法に関する。
ポリエステルは、重要な分類の工業的に意義深いポリマーである。ポリエステルは、衣料、カーペット、包装フィルム、塗料、エレクトロニクス、及び輸送などの、多くの産業で利用されている。典型的には、ポリエステルは、1種以上の二酸又はそのエステルと1種以上のジオールとの縮合により製造され、出発物質は石油から得られる。
ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)(PTF)は重要な新しいポリマーであり、出発物質であるフランジカルボン酸又はそのエステルと1,3-プロパンジオールは、バイオマス原料から製造することができる。フランジカルボン酸(FDCA)は、ヒドロキシメチルフルフラール(これは例えばバイオマス及び/又は高フルクトースコーンシロップなどの多くの原料から容易に入手可能である)の酸化から製造することができ、1,3-プロパンジオールは糖の発酵により製造することができる。これらの材料は共に、産業的に大量に生産され始めている再生可能な材料である。
PTFは100%再生可能な材料から製造できる一方で、ポリマーの製造には大きな課題が存在する。例えば、PTFを生成するためにエステル交換及び重縮合で典型的に使用されるチタン触媒は、PTFに望ましくない黄色を与え得る不純物も生じさせる可能性がある。
着色がより少ないPTFの調製方法が必要とされている。
本明細書では、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法、そのような方法により製造されるポリマー、及びポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法における重縮合速度を上げる方法が開示される。ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメントとポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメントとを含むブロックコポリマーの調製方法、及びそのような方法により製造されるコポリマーも開示される。一実施形態では方法が開示され、方法は以下の工程を含む:
a)フランジカルボン酸ジアルキルエステルと、1,3-プロパンジオールと、亜鉛化合物と、任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオールとを含有する混合物を、約120℃~約220℃の範囲の温度で接触させてプレポリマーを形成する工程であって、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程、及び
b)減圧下でプレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリマーを形成する工程。
一実施形態では、フランジカルボン酸ジアルキルエステルは2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルであり、ポリマーはポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)である。別の実施形態では、工程a)の混合物は、本明細書で以下に開示される構造Aによって表されるアントラキノン化合物を更に含む。又別の実施形態では、亜鉛化合物は、酢酸亜鉛、アセチルアセトン酸亜鉛、グリコール酸亜鉛、p-トルエンスルホン酸亜鉛、炭酸亜鉛、トリフルオロ酢酸亜鉛、酸化亜鉛、又は硝酸亜鉛を含む。更なる実施形態では、亜鉛化合物の濃度は、ポリマーの総重量を基準として約20ppm~約300ppmの範囲である。追加の実施形態では、工程a)の混合物はリン化合物を更に含み、リン化合物は、ポリマーの総重量を基準として約1ppm~約50ppmの範囲の量で混合物中に存在する。
一実施形態では、方法の工程a)は、チタン化合物の不存在下で行われる。別の実施形態では、方法の工程b)は、チタン化合物の不存在下で行われる。更なる実施形態では、方法の工程a)と工程b)の両方が、チタン化合物の不存在下で行われる。
別の実施形態では、方法は更に以下の工程を含む:
c)工程b)から得られたポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを約110℃~約130℃の範囲の温度で結晶化して、結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを得る工程。
又別の実施形態では、方法は更に以下の工程を含む:
d)結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーをポリマーの融点よりも低い温度で、固体状態で重合する工程。
更なる実施形態では、ポリ(アルキレンエーテル)グリコールは工程a)の混合物中に存在し、ポリ(アルキレンエーテルグリコール)は、ポリ(エチレンエーテル)グリコール、ポリ(1,2-プロピレンエーテル)グリコール、ポリ(トリメチレンエーテル)グリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、及びポリ(エチレン-コ-テトラメチレンエーテル)グリコールからなる群から選択され、ポリマーは、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメントとポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメントとを含むブロックコポリマーである。
本明細書で引用される全ての特許、特許出願及び刊行物は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される場合、「実施形態」又は「開示」という用語は、限定されることを意味するものではなく、特許請求の範囲で定義されるか又は本明細書に記載される実施形態のいずれかに一般的に適用される。これらの用語は、本明細書では互換的に使用される。
本開示では、多数の用語及び略語を使用する。他に特に明記されない限り、下記の定義が適用される。
1つの要素又は成分に先行する冠詞「a」、「an」及び「the」は、その要素又は成分の事例(すなわち、出現)の数に関して非制限的であるものとする。このため「a」、「an」及び「the」は、1つ又は少なくとも1つを含むと解釈すべきであり、要素又は成分の単数語形は、その数が明らかに単数であることを意味しない限り複数形も含む。
用語「~を含む(comprising)」は、特許請求の範囲で言及された特徴、整数、工程又は成分の存在を意味するが、1つ以上の他の特徴、整数、工程、成分若しくはそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。用語「含んでいる」は、用語「から本質的になる」及び「からなる」によって包含される実施形態を含むことを意図される。同様に、用語「から本質的になる」は、用語「からなる」によって包含される実施形態を含むことを意図される。
存在する場合、全ての範囲は包括的であり、且つ結合可能である。例えば、「1~5」の範囲が示された場合、示された範囲は、「1~4」、「1~3」、「1~2」、「1~2及び4~5」、「1~3及び5」などの範囲を含むと解釈すべきである。
本明細書において数値と結び付けて使用する用語「約」は、その用語がその状況において他に特に定義されていない限り、数値の±0.5の範囲を指す。例えば、語句「約6のpH値」は、pH値が他に特に定義されていない限り、5.5~6.5のpH値を指す。
本明細書を通して明示されるあらゆる最高数値限度は、それより低いあらゆる数値限度を、そのようなより低い数値限度が本明細書に明示的に記載されているかのように含むものとする。本明細書を通して明示されるあらゆる最低数値限度は、それより高いあらゆる数値限度を、そのようなより高い数値限度が本明細書に明示的に記載されているかのように含むであろう。本明細書を通して明示されるあらゆる数値範囲は、そのようなより広い数値範囲内に含まれるそれより狭いあらゆる数値範囲を、そのようなより狭い数値範囲が本明細書に明示的に記載されているかのように含むであろう。
当業者であれば、以下の詳細な説明を読むことにより、本開示の特徴及び利点を更に容易に理解するであろう。明確化のため、別個の実施形態との関係において上下に記載されている本開示の特定の特徴は、単一要素中で組み合わせて提供され得ることを理解すべきである。反対に、簡潔にするために単一実施形態に関連して記載されている本開示の様々な特徴は、別個に又は任意の部分的組み合わせで提供され得る。更に、文脈上特に明記されない限り、単数形を示す言葉は、複数形も含むことができる(例えば、「1つの(a)」及び「1つの(an)」は、1つ又は複数を指すことができる)。
本出願に明記される様々な範囲の数値の使用は、特に明確に断らない限り、記載された範囲内の最小値と最大値との両方とも「約」という用語に続くかのように近似値として記載される。このように、記載された範囲の上下のわずかな変動を使用して、この範囲内の数値と実質的に同一の結果を達成することができる。同様に、これらの範囲の開示は、最小値と最大値との間の各値及びあらゆる値を含む連続範囲であることが意図されている。
本明細書では:「ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)」又はPTFという語句は、1,3-プロパンジオールとフランジカルボン酸とから誘導される繰り返し単位を含むポリマーを意味する。いくつかの実施形態では、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)は、1,3-プロパンジオールとフランジカルボン酸とから誘導される繰り返し単位を95モル%以上含む。更なる実施形態では、1,3-プロパンジオール及びフランジカルボン酸の繰り返し単位のモル%は、95又は96又は97又は98又は99モル%以上であり、モルパーセントはポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)を形成するモノマーの合計量を基準とする。いくつかの実施形態では、フランジカルボン酸は、2,3-フランジカルボン酸、2,4-フランジカルボン酸、2,5-フランジカルボン酸、又はこれらの組み合わせである。別の実施形態では、フランジカルボン酸は2,5-フランジカルボン酸である。
用語「トリメチレンフランジカルボキシレート繰り返し単位」は、交互のフランジカルボキシレートと-CHCHCHO-基とからなる構造を繰り返し単位として有するポリマーを意味し、「フランジカルボキシレート」には、フラン-2,3-ジカルボキシレート、フラン-2,4-ジカルボキシレート、及びフラン-2,5-ジカルボキシレートが包含される。この繰り返し単位の分子量は196g/モルである。用語「トリメチレンフラン-2,5-ジカルボキシレート繰り返し単位」は、式(I):
Figure 0007204687000001

による、交互のフラン-2,5-ジカルボキシレートと-CHCHCHO-基とからなる構造を繰り返し単位として有するポリマーを意味する。同様に、用語「トリメチレンフラン-2,4-ジカルボキシレート繰り返し単位」は、交互のフラン-2,4-ジカルボキシレートと-CHCHCHO-基とからなる構造を繰り返し単位として有するポリマーを意味し、用語「トリメチレンフラン-2,3-ジカルボキシレート繰り返し単位」は、交互のフラン-2,3-ジカルボキシレートと-CHCHCHO-基とからなる構造を繰り返し単位として有するポリマーを意味する。nの値(繰り返し単位の数)は、例えば10~1000、又は50~500、又は25~185、又は80~185であってもよい。
ポリマー中の繰り返し単位の数に応じて、固有粘度は様々な場合がある。
「ポリマー骨格」及び「ポリマーの主鎖」という語句は、本明細書では互換的に使用され、共有結合により一体に連結された2つ以上のモノマー単位がポリマーの連続鎖を形成することを意味する。
本明細書で使用される「末端基」という語句は、ポリマー骨格の末端に存在する反応性又は非反応性の官能基を意味する。
ポリマーの「ジ-プロパンジオール」又は「ジ-PDO」繰り返し単位又は末端基という語句は、式(II):
Figure 0007204687000002

(式中、Pはポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)であり、XはP又は水素である)による構造を有する単位を意味する。ジ-PDO基は、Xが水素である末端基であってもよく、或いはジ-PDO基は、XがPであるポリマー骨格内の繰り返し単位であってもよい。
「アリル末端基」という語句は、例えば式(III):
Figure 0007204687000003

(式中、Pはポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを表す)によるポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの末端のアリル基を意味する。
「アルキルエステル末端基」という語句は、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの末端のアルキルエステル基を意味する。いくつかの実施形態では、アルキル末端基は、メチル、エチル、プロピル、又はブチルであってもよい。
「カルボン酸末端基」という語句は、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの末端のカルボン酸基を意味する。
「脱カルボキシル末端基」という語句は、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの末端のフラン環がカルボン酸基を有さないことを意味する。
「環状オリゴエステル」という語句は、式(I)による構造の2~8個の繰り返し単位から構成される環状化合物を意味する。「環状二量体オリゴエステル」という語句は、式(IV):
Figure 0007204687000004

による構造を有する二量体を意味する。他の環状オリゴエステルとしては、式(I)の繰り返し単位の三量体、四量体、五量体、六量体、七量体、及び八量体が挙げられる。
「フランジカルボン酸」という語句には、2,3-フランジカルボン酸;2,4-フランジカルボン酸;及び2,5-フランジカルボン酸が包含される。一実施形態では、フランジカルボン酸は2,3-フランジカルボン酸である。一実施形態では、フランジカルボン酸は2,4-フランジカルボン酸である。一実施形態では、フランジカルボン酸は2,5-フランジカルボン酸である。
「フランジカルボキシレートジアルキルエステル」という語句は、フランジカルボン酸のジアルキルエステルを意味する。いくつかの実施形態では、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは、式(V):
Figure 0007204687000005

(式中、各Rは独立してC~Cアルキルである)による構造を有し得る。いくつかの実施形態では、各Rは独立してメチル、エチル、又はプロピルである。別の実施形態では、各Rはメチルであり、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは2,5-フランジカルボン酸ジメチルエステル(FDME)である。又別の実施形態では、各Rはエチルであり、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは2,5-フランジカルボン酸ジエチルエステルである。
用語「a*値」、「b*値」、及び「L*値」は、CIE L*a*b*色空間による色を意味する。a*値は、赤色の程度(正の値)又は緑色の程度(負の値)を表す。b*値は、黄色の程度(正の値)又は青色の程度(負の値)を示す。L*値は色空間の明度を表し、0は黒色を表し、100は拡散白色を表す。ポリマーの黄色度は、黄色度指数(YI)によっても表される。YI値が高いほど、より黄色である。
用語「プレポリマー」は、少なくとも1種のトリメチレンフランジカルボキシレート繰り返し単位、ビス(1,3-プロパンジオール)フランジカルボキシレートを有する比較的低分子量の化合物又はオリゴマーを意味する。典型的には、プレポリマーは約196~約6000g/モルの範囲の分子量を有する。最も小さいプレポリマーは通常ビス(1,3-プロパンジオール)フランジカルボキシレートである一方で、最も大きいものは2~30個の範囲のトリメチレンフランジカルボキシレート繰り返し単位を有し得る。
本明細書で用いる場合、「重量平均分子量」又は「M」は、M=ΣN /ΣN(式中、Mは、鎖の分子量であり、Nは、その分子量の鎖の数である)として計算される。重量平均分子量は、ガスクロマトグラフィー(GC)、高圧液体クロマトグラフィー(HPLC)、及びゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)などの手法によって決定することができる。
本明細書で用いる場合、「数平均分子量」又は「M」は、試料中の全てのポリマー鎖の統計的平均分子量を指す。数平均分子量は、M=ΣN/ΣN(式中、Mは、鎖の分子量であり、Nは、その分子量の鎖の数である)として計算される。ポリマーの数平均分子量は、ゲル透過クロマトグラフィー、(マーク・フウィンク(Mark-Houwink)方程式)による粘度測定、及び束一的方法(蒸気圧オスモメトリー、末端基測定、又はプロトンNMR等)などの技術によって測定することができる。
いくつかの実施形態では、本開示は、以下の工程を含む方法に関する:
a)フランジカルボン酸ジアルキルエステルと、1,3-プロパンジオールと、亜鉛化合物と、任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオールとを含有する混合物を、約120℃~約220℃の範囲の温度で接触させてプレポリマーを形成する工程であって、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程、及び
b)減圧下でプレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリマーを形成する工程。
この方法の一実施形態では、フランジカルボン酸ジアルキルエステルは2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルであり、ポリマーはポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)である。
他のポリエステルと同様に、ポリ(トリメチレン-2,5-フランジカルボキシレート)ポリマー(PTF)の特性は、例えばその構造、組成、分子量、及び結晶化度の特徴に依存する。一般的には、分子量が大きいほど機械的特性が向上する。高分子量ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)を製造するための本明細書に開示の方法では、PTFは、直接エステル化又はエステル交換、及び最終ポリマーの融解温度よりも高い温度での重縮合を含む2段階溶融重合で調製される。重縮合工程の後、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーは、結晶化されてから必要に応じてポリマーの融点未満の温度で、固体状態で重合されてもよい。
本明細書に開示のように、少なくとも0.6dL/gの固有粘度及び/又は少なくとも15,000g/モルの数平均分子量を有するPTFポリマーは、溶融重合プロセスで、固相重合なしに調製される。
PTFポリマーの分子量は、例えば、末端基分析から数平均分子量を与えるプロトンNMR、数平均及び重量平均分子量を与えるサイズ排除クロマトグラフィー、並びに固有粘度などの様々な手法によって測定することができる。本開示の方法によりに製造されるPTFポリマーの固有粘度は、例えば本明細書の以下の実験項で開示される標準的な方法によって測定することができ、これは0.6~1.20dL/gの範囲であってもよい。別の実施形態では、固有粘度は、0.70~1.00dL/g、又は0.70~0.90dL/g、又は0.70~0.80dL/gの範囲であってもよい。本開示の方法によりに製造されるPTFポリマーの数平均分子量(M)は、15,000~40,000g/モルの範囲であってもよい。別の実施形態では、数平均分子量は、15,000~30,000g/モル又は15,000~25,000g/モルの範囲であってもよい。PTFポリマーの重量平均分子量(M)は、30,000~80,000g/モル、又は30,000~70,000g/モル、又は30,000~60,000g/モルの範囲であってもよい。
示差走査熱量測定(DSC)は、ポリマー試料が10℃/分で加熱される際に、本開示の溶融重合プロセスを使用して調製されたPTFポリマーが融点を有さないことを示し、これはポリマーがほぼアモルファス状態であることを示唆する。結晶化したPTFポリマーを製造するために、アモルファスPTFポリマーを低温結晶化温度まで、例えば100~130℃の範囲の温度まで加熱することで、融点を決定することができる結晶化したPTFポリマーを得ることができる。結晶化したPTFポリマーの融解温度は、繰り返し単位lの分子構造、並びに結晶化の速度及び形態に依存する。PTFポリマーの分子量の増加に伴い、結晶化速度が低下し、そのため融解温度が低下する。形成された結晶の融解温度(T)、及びエンタルピー又は融解熱(ΔH)は、DSCの加熱-冷却及び加熱サイクルから測定される。純粋な結晶性ポリマーの融解熱は、ポリマーの結晶化度を推定するための100%結晶のPTFの理論的融解熱と共に使用できる重要なパラメーターである。結晶化率は、脆性、靭性、剛性又は弾性率、光学的透明度、クリープ流、低温流れ、バリア性(ガスの出入りを防ぐ能力)、及び長期安定性などの、半結晶性ポリマーが示す重要な特性の多くに直接関係する。
結晶化したPTFポリマーは、ポリマーが10℃/分で加熱されると、DSCで複数のピークを有する幅広い融解温度範囲を有する場合がある一方で、ポリマーが例えば1℃/分などの非常に遅い速度で加熱されると、単一の狭いピークを得ることができる。結晶化したPTFポリマーの主要ピークの融解温度は、最初の加熱DSC走査から測定され、155~185℃、好ましくは165~185℃の範囲である。ポリマーのガラス転移温度は、10℃/分の速度での2回目の加熱DSC走査で取得され、57~62℃の範囲内である。
結晶PTFの物理的、機械的、及び光学的特性は、例えばポリマーの大きさ、形状、完全性、配向、及び/又は体積分率などのポリマーの形態的特徴に大きく依存する。結晶化速度は、典型的には特定の温度での分単位又は秒単位の等温結晶化半減期(t1/2)の値の使用によって表され、これはDSC実験から得ることができる。等温結晶化温度は、PTFポリマーのガラス転移温度(T)と融点(T)との間にあり、70~160℃の範囲の様々な温度で測定することができる。等温溶融結晶化後に続くDSC加熱トレースは、ポリマーの溶融挙動に関する情報を与えることができる。結晶化の半減期と結晶化速度は、結晶化温度、平均分子量、分子量分布、ポリマーの鎖構造、コモノマーや造核剤や可塑剤の存在などの要因に依存する。溶融重合プロセスで分子量を増加させると、結晶化速度が低下し、そのため溶融物から調製されるポリマーはほぼアモルファスである。一般的には、結晶化速度が遅いポリマーは、エンジニアリング用途や包装用途においては利用が限定的である。
溶融重合プロセスから調製されるポリエステルは、不純物として環状オリゴマーエステルを含むことが知られている。ポリ(エチレンテレフタレート)の場合、環状オリゴマーエステルの大部分は、典型的には2~4重量%の量で存在する環状三量体である。対照的に、ポリ(トリメチレンテレフタレート)の場合には、環状オリゴマーエステルの主な種は環状二量体であり、これはポリマー中に2.5重量%以上で存在する場合がある。環状オリゴマーエステル不純物は、重合中、処理中、及び最終用途(射出成形部品、アパレル繊維、フィラメント、及びフィルム等)において問題になる場合がある。ポリマー中の環状オリゴマーエステル濃度を下げることは、例えば繊維紡糸中のワイプサイクル時間を長くし、射出成形された部品のオリゴマーブルーミングを減少させ、フィルムの白化を減少させることにより、ポリマーの製造にプラスの影響をもたらすであろう。
ポリ(エチレンテレフタレート)やポリ(トリメチレンテレフタレート)などのポリエステル中の環状オリゴマーエステルの含有量を減らすための1つの方法は、固相重合を利用することである。PTFポリマーにおける主要な環状オリゴエステルは、環状二量体である。ポリマー中の二量体を含む環状エステルの合計量は、実験項に記載のプロトンNMR分析から決定することができる。
ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーは、例えば、溶融重合条件中にポリマー鎖の熱分解や熱酸化分解又は他の副反応から生じるアリル、カルボン酸、脱カルボン酸、アルキルエステル、アルデヒド、及びジ-PDOなどのヒドロキシル基以外の末端基、並びにモノマー中の不純物を含み得る。ヒドロキシル基以外の末端基の形成を最小限に抑えることが望ましい。
一実施形態では、方法の工程a)において、フランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオール、及び亜鉛化合物からなる、又は本質的にこれらからなる混合物は、120℃~220℃の範囲の温度で接触してプレポリマーを形成する。「~から本質的になる」とは、フランジカルボキシレートエステル又は1,3-プロパンジオールではない他のジエステル、二酸、又はポリオールモノマーが混合物中に1重量%以下存在することを意味する。別の実施形態では、第1の工程で接触する混合物は、酸官能性成分、例えばフランジカルボン酸などの酸官能性モノマーを含まないか、本質的に含まない。本明細書において、「本質的に含まない」とは、混合物が、混合物中のモノマーの総重量を基準として5重量%未満の酸官能性モノマーを含むことを意味する。別の実施形態では、酸官能性モノマーの量は、4%又は3%又は2%又は1%より少ないか、酸官能性モノマーの量は0%である。重合プロセス中に酸が存在すると、最終的なポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)の色の増加につながる可能性があるため、酸の量はできるだけ少なく保つべきであることが判明した。
フランジカルボン酸ジアルキルエステルは、例えば、エステル基中に1~8個の炭素原子を有するフランジカルボン酸ジアルキルエステルなどの公知の任意のジエステルであってもよい。用語「フランジカルボン酸ジアルキルエステル」は、本明細書では用語「フランジカルボン酸ジアルキルエステル」と互換的に使用される。いくつかの実施形態では、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは、フランジカルボキシレートジメチルエステル、フランジカルボキシレートジエチルエステル、フランジカルボキシレートジプロピルエステル、フランジカルボキシレートジブチルエステル、フランジカルボキシレートジペンチルエステル、フランジカルボキシレートジヘキシルエステル、フランジカルボキシレートジヘプチルエステル、フランジカルボキシレートジオクチルエステル、又はこれらの組み合わせである。別の実施形態では、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは、フランジカルボキシレートジメチルエステル、フランジカルボキシレートジエチルエステル、又はフランジカルボキシレートジメチルエステルとフランジカルボキシレートジエチルエステルとの混合物である。フランジカルボキシレートジアルキルエステルのエステル基は、フラン環の2,3-、2,4-、又は2,5-位に位置していてもよい。いくつかの実施形態では、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは、2,3-フランジカルボキシレートジアルキルエステル;2,4-フランジカルボン酸ジアルキルエステル;2,5-フランジカルボン酸ジアルキルエステル;又はこれらの混合物である。更なる実施形態では、フランジカルボキシレートジアルキルエステルは2,5-フランジカルボキシレートジアルキルエステルである一方で、更なる実施形態では、これは2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルである。
接触工程において、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールのモル比は、1:1.3~1:2.2の範囲である。つまり、フランジカルボン酸ジアルキルエステル1モルにつき、少なくとも1.3モル且つ最大2.2モルの1,3-プロパンジオールを使用することができる。原則として、フランジカルボン酸ジアルキルエステル1モルにつき2.2モルを超える1,3-プロパンジオールを使用できるものの、2.2モルを超える1,3-プロパンジオールはほとんど利点がなく、未反応の1,3-プロパンジオールの少なくとも一部を除去するために必要とされる時間とエネルギーの量を増加させ得る。別の実施形態では、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールのモル比は、1:1.3から1:2.1まで、又は1:1.3から1:2.0までの範囲であってもよい。更に別の実施形態では、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールの比は、1:1.4から1:1.8まで、又は1:1.5から1:1.8までの範囲であってもよい。
亜鉛化合物は接触工程で存在し、エステル交換反応のための触媒として機能し、ここではポリマー骨格内にフランジカルボキシレート部位を有するプレポリマーが製造される。混合物中の亜鉛金属又はカチオンとしての亜鉛の濃度は、ポリマーの重量を基準として、重量基準で20ppm~300ppmの範囲である。ポリマーの重量は、添加されたフランジカルボン酸ジアルキルエステルのモル数に繰り返し単位の質量を掛けて計算することができる。別の実施形態では、接触工程に存在する亜鉛の量は、25~250ppm、又は30~200ppm、又は20~200ppm、又は40~150ppm、又は50~100ppmの範囲であってもよい。好適な亜鉛化合物としては、例えば、酢酸亜鉛、アセチルアセトン酸亜鉛、グリコール酸亜鉛、p-トルエンスルホン酸亜鉛、炭酸亜鉛、トリフルオロ酢酸亜鉛、酸化亜鉛、及び硝酸亜鉛を挙げることができる。一実施形態では、亜鉛化合物は無水又は水和形態の酢酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物はアセチルアセトン酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物はグリコール酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物はp-トルエンスルホン酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物は炭酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物はトリフルオロ酢酸亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物は酸化亜鉛を含む。一実施形態では、亜鉛化合物は硝酸亜鉛を含む。反応中に存在する活性触媒は、反応混合物に添加される化合物と異なっていてもよい。好適な亜鉛化合物は、商業的に入手するか、公知の方法によって調製することができる。
接触工程中に、フランジカルボン酸ジアルキルエステルは、ビス(1,3-プロパンジオール)フランジカルボキシレートプレポリマーの形成により得られる1,3-プロパンジオール及びフランジカルボン酸出発物質のエステルのアルコールに対応するアルキルアルコールとエステル交換される。例えば、フランジカルボン酸ジメチルエステルを使用すると、プレポリマーに加えてメタノールが形成される。工程a)の際に、アルキルアルコールは蒸留によって除去される。接触工程は、大気圧で、又は別の実施形態では、わずかに高い圧力又は低い圧力で行うことができる。圧力は、約0.04MPa~約0.4MPaの範囲であってもよい。接触工程は、120℃~220℃の範囲、例えば150℃~220℃、又は160℃~220℃、又は170℃~215℃、又は180℃から210℃、又は190℃から210℃の範囲の温度で行われる。時間は、典型的には1時間から数時間であり、例えば2、3、4、若しくは5時間、又は1時間から5時間の間の任意の時間である。
エステル交換工程の後、触媒による重縮合工程において、プレポリマーは、減圧下で220℃~260℃の範囲の温度に加熱されることで、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを形成する。重縮合工程では、エステル交換工程で使用されるものと同じ亜鉛化合物を触媒として使用することができる。亜鉛化合物の合計量は、エステル交換工程の前にその全体が添加されてもよく、或いはエステル交換工程の前に一部が添加されて重縮合工程の前に残りが添加される二分割で添加されてもよい。副生成物である1,3-プロパンジオールは、重縮合工程中に除去される。温度は、典型的には220℃~260℃、例えば225℃~255℃又は230℃~250℃の範囲である。圧力は、約1気圧未満から0.0001気圧までであってもよい。この工程では、プレポリマーは重縮合反応を受け、ポリマーの分子量が増加し(固有粘度又はメルトフローレートの増加によって示される)、1,3-プロパンジオールが遊離する。重縮合工程は、ポリマーの固有粘度が約0.6~1.2dL/gに到達するような時間、220℃~260℃の範囲の温度で継続することができる。時間は、典型的には1時間から数時間であり、例えば2、3、4、5、6、7、8、9、若しくは10時間、又は1時間から10時間の間の任意の時間である。一実施形態では、工程b)から得られたポリマーは、少なくとも0.60dL/gの固有粘度を有する。ポリマーが望みの固有粘度に到達した後に、反応器及びその中身を例えば室温まで冷却することで、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを得ることができる。
方法の工程a)及びb)は、バッチ式、半連続式、又は連続式の溶融重合反応器で行うことができる。この方法は、バッチ式、半連続式、又は連続式で行うことができる。バッチ式重合プロセス(エステル化、予備重合、又は重縮合)には、最終製品を製造するために、ユニット操作/段階的な形態でのユニット操作によって進行する原料が含まれる。連続重合方法には、最終製品を製造するためにユニット操作/連続的な形態でのユニット操作によって進行する原料が含まれる。反応中に材料がユニットに連続的に添加され、最終製品が重合後に連続的に除去される場合、方法は連続的であるとみなされる。半連続重合方法には、バッチ式であるプロセス段階と連続式であるプロセス段階とが含まれる。例えば、プレポリマーを調製するためのエステル化段階はバッチ式で行われてもよく、後続の重合段階は連続的に行われてもよい。
本明細書に開示の亜鉛化合物は、本明細書に開示の方法の工程a)(エステル交換)及び工程b)(重縮合)において触媒として機能することができる。一実施形態では、工程a)と工程b)の両方が触媒として亜鉛化合物を使用して行われる。一実施形態では、工程a)と工程b)の両方が触媒として同じ亜鉛化合物を使用して行われる。一実施形態では、工程a)と工程b)の両方が触媒として亜鉛化合物のみを使用して行われる。一実施形態では、工程a)と工程b)の両方が触媒として亜鉛化合物を使用して行われ、工程a)と工程b)の両方が、追加の金属触媒なしで行われる。一実施形態では、工程a)はチタン化合物の不存在下で行われる。別の実施形態では、工程b)はチタン化合物の不存在下で行われる。又別の実施形態では、工程a)と工程b)の両方がチタン化合物の不存在下で行われる。
別の実施形態では、工程a)の混合物は、構造A:
Figure 0007204687000006

(式中、各Rは、独立してH、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)により表されるアントラキノン化合物を更に含む。フランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、亜鉛化合物、及び任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオールを含有する混合物中には、1種以上のアントラキノン化合物が、ポリマーの総重量基準で約1ppm~約20ppmの範囲の量で存在していてもよい。例えば、アントラキノンは、1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、5ppm、6ppm、7ppm、8ppm、9ppm、10ppm、11ppm、12ppm、13ppm、14ppm、15ppm、16ppm、17ppm、18ppm、19ppm、又は20ppm(又はこれら2つの値の間の任意の量)で混合物中に存在していてもよい。
有用なアントラキノン化合物は商業的に入手することができる。好ましくは、アントラキノン化合物はハロゲンを含まない。構造Aで表されるアントラキノン化合物の例としては、以下のものが含まれる。
ソルベントブルー104、別名1,4-ビス(メシチルアミノ)アントラキノン又は1,4-ビス[(2,4,6-トリメチルフェニル)アミノ]アントラセン、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000007
ソルベントブルー45、別名4,4’-(1,4-アントラキノニレンジイミノ)ビス[N-シクロヘキシル-2-メシチレンスルホンアミド]、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000008
ソルベントブルー97、別名1,4-ビス[(2,6-ジエチル-4-メチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオン、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000009
ソルベントブルー、別名1,4-ビス[(4-n-ブチルフェニル)アミノアントラセン-9,10-ジオン、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000010
ソルベントブルー122、別名N-(4-((9,10-ジヒドロ-4-ヒドロキシ-9,10-ジオキソ-1-アントリル)アミノ)フェニル)アセトアミド、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000011
ソルベントグリーン28、別名1,4-ビス[(4-n-ブチルフェニル)アミノ-5,8-ジヒドロキシ]アントラセン-9,10-ジオン、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000012
ソルベントレッド207、別名1,5-ビス[(3-メチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオン、これは次の構造を有する:
Figure 0007204687000013
アントラキノン化合物は、カラートナーとして機能することができる。ポリマーの色は、1種以上のアントラキノン化合物を使用して調製することができる。いくつかの実施形態では、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーは、分光比色法によって決定される10未満、例えば3未満のb*色値を有する。いくつかの実施形態では、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)のL*色値は、65よりも大きく、例えば75よりも大きい。
アントラキノン化合物は、重縮合の速度を高めるために亜鉛化合物との共触媒として機能することもできる。一実施形態では、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法において重縮合速度を増加させる方法が開示され、この方法は以下の工程を含む:
a)約120℃~約220℃の範囲の温度で混合物を接触させてプレポリマーを形成する工程であって、混合物がフランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、亜鉛化合物、及び構造A
Figure 0007204687000014

(式中、各Rは、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)で表されるアントラキノン化合物を含み、フランジカルボン酸ジアルキルエステル対1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程、及び
b)減圧下でプレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)を形成する工程。
置換アリール基は、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、及びSONHC11からなる群から選択される。
工程a)の混合物がアントラキノン化合物を更に含むか否かに関わらず、本明細書に開示の方法のいくつかの実施形態では、工程a)における混合物はリン化合物を更に含む。リンの濃度は、ポリマーの総重量を基準として、約1ppm~約50ppmの範囲であってもよい。例えば、リンの量は、1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、5ppm、6ppm、7ppm、8ppm、9ppm、10ppm、11ppm、12ppm、13ppm、14ppm、15ppm、16ppm、17ppm、18ppm、19ppm、20ppm、21ppm、22ppm、23ppm、24ppm、25ppm、26ppm、27ppm、28ppm、29ppm、30ppm、31ppm、32ppm、33ppm、34ppm、35ppm、36ppm、37ppm、38ppm、39ppm、40ppm、41ppm、42ppm、43ppm、44ppm、45ppm、46ppm、47ppm、48ppm、49ppm、又は50ppm(又はこれらの値のうちの2つの間の任意の量)であってもよい。一実施形態では、リンの量は、約1ppm~約25ppmであってもよい。別の実施形態では、リンの量は、約1ppm~約10ppmであってもよい。又別の実施形態では、リンの量は約5ppm~約20ppmであってもよい。一実施形態では、工程a)の混合物は、本明細書に開示のアントラキノン化合物及びリン化合物を更に含む。別の実施形態では、工程a)の混合物はリン化合物を更に含み、アントラキノン化合物を含まない。
好適なリン化合物としては、リン酸、亜リン酸、ポリリン酸、リン酸エステル(リン酸トリエチル、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル等)、及びこれらの混合物が挙げられる。一実施形態では、リン化合物はリン酸を含む。リン化合物は商業的に入手することができる。
亜鉛化合物、アントラキノン化合物、及びリン化合物は、任意の形態で、例えば粉末として、或いは1,3-プロパンジオールなどの溶媒中のスラリー又は溶液として添加することができる。
更なる実施形態では、方法は、工程b)から得られたポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを約110℃~約130℃の範囲の温度で結晶化することで結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを得る工程c)を更に含む。典型的な結晶化時間は、約1時間から数時間の範囲であってもよい。
又別の実施形態では、方法は、結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーをポリマーの融点よりも低い温度にて固体状態で重合する工程d)を更に含む。この工程は、高分子量のポリマーを得るために行うことができる。典型的には、固体状態での重合工程においては、結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)のペレット、顆粒、チップ、又はフレークが、ホッパー、回転式乾燥機、又は縦型管式反応器の中で、160℃からポリマーの融解温度未満までの高温に一定時間さらされる。
工程a)の混合物は、任意選択的にポリ(アルキレンエーテル)ジオールを含んでいてもよい。ポリ(アルキレンエーテル)ジオールの数平均分子量は、約250~約3000g/モルの範囲であってもよい。一実施形態では、ポリ(アルキレンエーテル)ジオール(別名ポリ(アルキレンエーテル)グリコール又はPAEG)が工程a)の混合物中に存在し、得られるポリマーはコポリマー(別名コポリエステル)である。コポリマーは、(トリメチレンフランジカルボキシレート)及びポリエーテルポリオールモノマー単位を含む。好適なポリ(アルキレンエーテル)ジオールの例は、ポリ(テトラメチレングリコール)(PTMEG)である。
コポリエステルは、2段階プロセスにより製造することができ、この中では最初に、PDO、PAEG、及びフランジカルボン酸ジアルキルエステルからプレポリマーが製造され、骨格の中に2,5-フランジカルボキシレート部位を有するオリゴマーが得られる。この中間体生成物は、好ましくは、2種のジオールモノマー(PDO及びPAEG)と1種のフランジカルボン酸ジアルキルエステルモノマーとから構成されるエステルである。本明細書に開示の重縮合条件下でのプレポリマーの溶融重合は、コポリマーを与える。ポリアルキレン(polyalkyene)エーテルジオールとしてPTMEGが使用される場合、得られるコポリマーは、フラン-PTMEGソフトセグメント及びPTFハードセグメントを含む。
或いは、約250~約3000g/モルの範囲の数平均分子量を有するポリエステルジオールをPAEGの代わりに使用してもよく、得られるコポリマーはフラン-ポリエステルジオールソフトセグメント及びPTFハードセグメントを含む。ポリエステルジオールは、ジカルボン酸とジオールとの反応生成物である。好ましいポリエステルジオールは、コハク酸、フランジカルボン酸、又はセバシン酸などの再生可能な原料の二酸及びジオールを使用して製造され、ジオールはエチレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、又はイソソルビドである。
本明細書に開示の方法により得られるポリマー及びコポリマーは、重合溶融物から直接フィルム又はシートへと形成することができる。代替方法では、組成物は、溶融物から取り扱いやすい形状(ペレットなど)に形成することができ、これはその後フィルム又はシートを形成するために使用することができる。シートは、例えば、標識、ガラス(バス停のシェルター、天窓、又はRV車等)、ディスプレイ、自動車用ライト、及び熱成形品のために使用することができる。
或いは、本明細書に記載の組成物を含む物品は、圧縮成形、射出成形、押出成形、ブロー成形、射出ブロー成形、射出延伸ブロー成形、押出ブロー成形などの任意の従来の成形方法によって作製され得る成形品である。物品は、例えば圧縮成形によって形成されたコアが射出成形によってオーバーモールドされる場合など、これらの方法の2つ以上の組み合わせによっても形成することができる。
特に、ポリマー及びコポリマーは以下の製造に適している:
○アパレル又はフローリング用途の繊維;
○一軸配向及び二軸配向のフィルム、及び他のポリマーで多層化されたフィルム;
○食品に使用するための粘着フィルム又はシュリンクフィルム;
○牛乳、ヨーグルト、肉、飲料等の容器における、共に単層化及び多層化された、熱成形された食品包装又は容器;
○ステンレス鋼、炭素鋼、及びアルミニウムなどの金属に限定されない、金属を含む基材上への押し出し被覆又は粉末被覆方法を用いて得られた被覆(このような被覆は、シリカ又はアルミナなどの流動を制御するバインダー及び薬剤を含むことができる)、
○例えば紙、プラスチック、アルミニウム、又は金属フィルムなどの剛性又は可撓性の裏張りを有する多層ラミネート。
○焼結により得られた小片の作製のための発泡した又は発泡可能なビーズ、
○予め膨張した物品を用いて形成された発泡ブロックを含む発泡及び半発泡製品、並びに
○発泡シート、熱成形発泡シート、及び食品包装に使用されるこれらから得られた容器。
本明細書に開示の非限定的な実施形態は以下を含む:
1.a)フランジカルボン酸ジアルキルエステルと、1,3-プロパンジオールと、亜鉛化合物と、任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオールとを含有する混合物を、約120℃~約220℃の範囲の温度で接触させてプレポリマーを形成する工程であって、前記フランジカルボン酸ジアルキルエステル対前記1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程、及び
b)減圧下で前記プレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリマーを形成する工程、を含む方法。
2.前記フランジカルボン酸ジアルキルエステルが2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルであり、前記ポリマーがポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)である、実施形態1に記載の方法。
3.前記亜鉛化合物が、酢酸亜鉛、アセチルアセトン酸亜鉛、グリコール酸亜鉛、p-トルエンスルホン酸亜鉛、炭酸亜鉛、トリフルオロ酢酸亜鉛、酸化亜鉛、又は硝酸亜鉛を含む、実施形態1又は2に記載の方法。
4.前記亜鉛化合物の濃度が、前記ポリマーの総重量を基準として約20ppm~約300ppmの範囲である、実施形態1、2、又は3に記載の方法。
5.工程a)がチタン化合物の不存在下で行われる、実施形態1、2、3、又は4に記載の方法。
6.工程b)がチタン化合物の不存在下で行われる、実施形態1、2、3、4、又は5に記載の方法。
7.工程a)と工程b)が共にチタン化合物の不存在下で行われる、実施形態1、2、3、4、5、又は6に記載の方法。
8.工程a)の前記混合物が、構造A
Figure 0007204687000015

(式中、各Rは、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)により表されるアントラキノン化合物を更に含み、前記アントラキノン化合物が、前記ポリマーの総重量基準で約1ppm~約20ppmの範囲の量で前記混合物中に存在する、実施形態1、2、3、4、5、6、又は7に記載の方法。
9.前記アントラキノン化合物が1,4-ビス[(2,4,6-トリメチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオンである、実施形態1、2、3、4、5、6、7、又は8に記載の方法。
10.工程a)における前記混合物がリン化合物を更に含み、前記リンが、前記ポリマーの総重量基準で約1ppm~約50ppmの範囲の量で前記混合物中に存在する、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、又は9に記載の方法。
11.工程b)から得られた前記ポリマーが少なくとも0.60dL/gの固有粘度を有する、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、又は10に記載の方法。
12.c)工程b)から得られた前記ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを約110℃~約130℃の範囲の温度で結晶化して、結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを得る工程;を更に含む、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、又は11に記載の方法。
13.d)前記結晶化した前記ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを前記ポリマーの融点よりも低い温度で固体状態で重合する工程;を更に含む、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、又は12に記載の方法。
14.前記方法がバッチ式、半連続式、又は連続式である、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、又は13に記載の方法。
15.前記ポリ(アルキレンエーテル)グリコールが工程a)の前記混合物中に存在し、前記ポリ(アルキレンエーテルグリコール)が、ポリ(エチレンエーテル)グリコール、ポリ(1,2-プロピレンエーテル)グリコール、ポリ(トリメチレンエーテル)グリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、及びポリ(エチレン-コ-テトラメチレンエーテル)グリコールからなる群から選択され、前記ポリマーが、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメントとポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメントとを含むブロックコポリマーである、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、又は14に記載の方法。
16.実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、又は14に記載の方法により得られる、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマー。
17.実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、又は15に記載の方法により得られる、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメント単位とポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメント単位とを含むコポリマー。
18.a)約120℃~約220℃の範囲の温度で混合物を接触させてプレポリマーを形成する工程であって、前記混合物がフランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、亜鉛化合物、及び構造A
Figure 0007204687000016

(式中、各Rは、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)で表されるアントラキノン化合物を含み、前記フランジカルボン酸ジアルキルエステル対前記1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程;並びに
b)減圧下で前記プレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを形成する工程;を含む、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法において重縮合速度を増加させる方法。
特に明記しない限り、全ての原料は、the Sigma-Aldrich Company,St.Louis,Missouriから入手可能である。別段の記載がない限り、全ての材料は受け取ったままの状態で使用した。
2,5-フランジカルボン酸ジメチルエステル(FDME)は、Sarchem Laboratories Inc,Farmingdale,NJから入手した。
1,3-プロパンジオール(BioPDOTM)はDuPont Tate&Lyle LLCから入手した。略語「PDO」は、この成分について実施例全体で使用される。
二酢酸亜鉛(無水)、二酢酸亜鉛二水和物、リン酸(85%溶液)、酢酸コバルト、1,4-ブタンジオール、及びチタン酸テトラn-ブチル(TBT)は、Sigma-Aldrichから入手した。
1,4-ビス[(2,4,6-トリメチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオン(OpticaTM global PRT blue-2トナー分散液として市販)及び3H-ナフト[1,2,3-de]キノリン-2,7-ジオン,3-メチル-6-[(4-メチルフェニル)アミノ](OpticaTM global PRT red-2トナー分散液として市販)化合物は、ColorMatrix,Berea,OHから入手した。
本明細書で使用される場合、「Comp.Ex.」は比較例を意味し;「Ex.」は実施例を示し、「ppm」は百万分の一を意味し、「g」はグラムを意味し;「kg」はキログラムを意味し;「mL」はミリリットルを意味し;「min」は分を意味し;「h」は時間を意味し;「mol」はモルを意味し;「rpm」は回転毎分を意味する。
試験方法
色測定
色を測定するためにHunterlab COLORQUESTTM分光計(Reston,Virginia)を使用した。色は三刺激のカラースケール、CIEL*a*b*に関して測定される。色の値(L*)は試料の明るさ又は暗さに対応し、色の値(a*)は赤色-緑色のスケールに対応し、色の値(b*)は黄色-青色のスケールに対応する。報告されている色の値は、通常、真空下のオーブン中にて一晩110℃で結晶化したポリマーについての値である。この装置から計算された黄色度指数(YI)の値も報告される。
等温結晶化
約2~3mgのPTF試料を30℃/分の加熱速度で室温から230℃まで加熱し、3分間保持し、その後30℃/分で0℃まで冷却することでアモルファスのPTFを得た(DSC装置中での急冷)。その後、急冷した試料を110℃~120℃の結晶化温度まで急速に加熱し、そこで2~4時間保持した。その後、結晶化度を調べるために、結晶化した試料に単一の加熱実験を行った。
サイズ排除クロマトグラフィーによる分子量
サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)システム、Alliance 2695TM(Waters Corporation,Milford,MA)は、Waters 2414TM示差屈折率検出器、マルチアングル光散乱光度計DAWN Heleos(Wyatt Technologies,Santa Barbara,CA)、及びVISCOSTARIITM示差毛細管粘度計検出器(Wyatt)を備えていた。データ取得及び整理のためのソフトウェアは、WyattのASTRA(登録商標)バージョン6.1であった。使用したカラムは、2×10の排除限界、及び8,000/30cmの理論プレートを有する2本のShodex GPC HFIP-806MTMスチレン-ジビニルベンゼンカラム、並びに2×10の排除限界及び10,000/30cmの理論プレートを有する1本のShodex GPC HFIP-804MTMスチレン-ジビニルベンゼンカラムであった。
穏やかに攪拌しながら室温で4時間混合することによって0.01Mのトリフルオロ酢酸ナトリウムが入っている1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノール(HFIP)の中に試料を溶解し、次いで0.45μmのPTFEフィルターを通して濾過した。溶液の濃度は約2mg/mLであった。
35℃に設定したクロマトグラフを用いて0.5ml/分の流量でデータを取得した。注入体積は100μlであった。実行時間は80分であった。上述した3つの検出器全てからのデータを取り込んでデータ整理を行った。光散乱検出器には8つの散乱角を用いた。データ処理にカラム校正用の標準は含まなかった。ポリマーの重量平均分子量(M)が報告される。
固有粘度による分子量
固有粘度(IV)は、VISCOTEK(登録商標)強制流動粘度計Y-501C型上で、PET T-3、DUPONTTMSELAR(登録商標)PT-X250、DUPONTTMSORONA(登録商標)2864を校正標準として使用し、Goodyear R-103B Equivalent IV法を用いて決定した。フェノール/1,1,2,2-テトラクロロエタンの60/40混合物をポリマーの溶媒として使用した。試料は、30mLの溶媒混合物に0.15gの樹脂を添加し、混合物を100℃で30分間加熱し、更に30分間室温まで冷却することによって調製し、この溶液の固有粘度を測定した。
メルトフローインデックス(MFI)又はメルトフローレート(MFR)
メルトフローインデックス(MFI)は、10分間にダイを通って流れるポリマーのグラム数の尺度である。乾燥PTFポリマー樹脂のメルトフローレートは、ASTM D1238に従って、メルトフロー装置(Extrusion Plastometer,Tinium Olsen,Willow Grove,PA)を使用して、2160gの荷重で210℃で測定した。様々な分子量のPTFポリマー樹脂についてのMFRとIVとの間の相関関係を得た。
H(プロトン)NMRによる数平均分子量(M)及び末端基の定量
H NMRスペクトルは、4.68秒の取得時間、90°のパルス、及び30秒のリサイクル遅延を使用して、110℃で0.7mの1,1,2,2-テトラクロロエタン-d2(tce-d2)中の約55mgの試料について、700MHzNMRを使用して平均16回の遷移で収集した。
H NMR計算方法
当該技術分野で標準の通りに試料を積算し、モルパーセントを計算した。PTFポリマーのピークの帰属を下の表1に示す。
Figure 0007204687000017
H NMRによるポリ(トリメチレン-2,5-フランジカルボキシレート)中の環状二量体エステルの合計量の決定方法
表1に示されているように、環状二量体のフラン環水素(δ6.89)とPTFポリマーのフラン環水素(δ7.2)は異なるケミカルシフトを有する。環状二量体の重量パーセントは次の式を使用して計算した:
Figure 0007204687000018

nl=規格化された積分値
実施例1
亜鉛触媒を使用して調製したポリトリメチレン2,5-フランジカルボキシレート(PTF)プレポリマー
次の量の成分を、窒素注入口、コンデンサー、及びメカニカルスターラーを備えた3Lの3口ガラス製反応器の中に入れた:2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステル(FDME)(1.41kg、7.64mol)及び1,3-プロパンジオール(0.873kg、11.47mol)。FDMEに対するPDOのモル比は1.5であった。フラスコを、設定温度160℃に予熱した金属浴の中に入れた。反応混合物を、Ekato Paraviscインペラーを使用して100rpmで10分間撹拌することで、窒素雰囲気下で均一な溶液を得た。無水二酢酸亜鉛(0.779g;ポリマーの重量基準で185ppmの亜鉛)をこの設定温度で混合物に添加した。金属浴の温度を170℃に設定してエステル交換反応を開始し、回収した凝縮留分の最初の一滴を反応開始(時間ゼロ)として記録した。この温度で反応を30分間継続し、温度を190℃に上げて反応をもう30分間継続した。この時点までにほとんどの蒸留物(約545mL)が回収され、蒸留速度はこの時点で遅くなり、反応がほぼ完了したことが示された。エステル交換時間は、最初のメタノール留分の液滴が観察された時点から、理論量のメタノール留分が回収される時点まで記録した。窒素パージを停止する一方で、真空度を上げ始めた。1~1.5時間かけて、圧力を大気圧から約0.2mmHg~0.4mmHg(絶対圧)の最終的な低圧まで徐々に低下させ、この間に過剰の1,3-プロパンジオールの大部分をトラップの中に回収した。この段階で、フラスコ内の圧力を窒素流下で大気圧に戻し、金属浴からフラッシュを除去した。フラスコを室温まで冷却し、フラスコからプレポリマーを回収した。
回収したプレポリマーをプロトンNMRにより分析した。プレポリマーの特性を表2に列挙する。
比較例A
チタン触媒を使用して調製したポリトリメチレン2,5-フランジカルボキシレート(PTF)プレポリマー
触媒としてTBTを使用し、表2に報告されている処理条件を使用したこと以外は実施例1に記載の通りにPTFプレポリマーを調製した。
Figure 0007204687000019
実施例1のPTFプレポリマーの特性は、亜鉛触媒が比較例AのPTFプレポリマーを調製するために使用されるチタン触媒に比べて非常に効果的なエステル交換触媒であることを示している。反応はより穏やかな温度でより速かった。実施例1のプレポリマー中のメチルエステル末端基の量は、比較例Aよりも少なく、モル比、触媒量、並びにエステル交換温度及び時間を最適化することにより更に減少する可能性が高いであろう。CIE L*及びb*で示されるプレポリマーの色は、チタン触媒を使用して製造されたプレポリマーの色よりも有意に優れていた。
実施例2
ポリトリメチレン2,5-フランジカルボキシレート(PTF)ポリマー
次の量の成分を3Lの3口ガラス製反応器の中に入れた:2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステル(FDME)(1.41kg、7.64mol)及び1,3-プロパンジオール(0.873kg、11.47mol)。FDMEに対するPDOのモル比は1.5であった。フラスコを、設定温度160℃に予熱した金属浴の中に入れた。Ekato Paraviscインペラーを使用して反応混合物を100rpmで10分間撹拌することで、窒素雰囲気下で均一な溶液を得た。この設定温度で、二酢酸亜鉛二水和物(0.61g;ポリマーの重量基準で130ppmの亜鉛)を混合物に添加した。金属浴の温度を170℃に設定してエステル交換反応を開始し、回収した凝縮留分の最初の一滴を反応開始(時間ゼロ)として記録した。この温度で反応を30分間継続し、その後温度を190℃まで徐々に上げて反応をもう35分間継続した。この時点までにほとんどの蒸留物(約545mL)が回収され、蒸留速度はこの時点で遅くなり、反応がほぼ完了したことが示された。
窒素パージを停止する一方で、真空度を上げ始めた。1~1.5時間かけて、圧力を大気圧から約0.2mmHg~0.4mmHg(絶対圧)の最終的な低圧まで徐々に低下させ、この間に過剰の1,3-プロパンジオールの大部分をトラップの中に回収した。金属浴の温度を240℃に上げ、これらの条件下で重縮合反応を2~4時間継続した。この時間の間に、ポリマーの分子量の増加に伴うモータートルクの上昇を監視し、混合速度を徐々に低下させた。ミリボルト(mV)単位でのトルク値が60mVに達する毎に、攪拌速度を100から80、次いで60、次いで40、次いで20rpmまで低下させた。20rpmでトルク値の急激な増加が観察されなかった場合に、窒素流下で圧力を大気圧に上げ、金属浴からフラッシュを除去することによって反応を終了させた。フラスコを室温まで冷却し、フラスコから固体ポリマーを回収した。
回収したポリマーを乾燥させ、真空オーブン中で110~120℃で一晩結晶化した。最終的なポリマーの特性は表3に報告されている。
実施例3
酢酸亜鉛(無水)及び酢酸コバルト触媒を使用して、実施例2に記載の通りにポリマーを調製した。ポリマーの処理条件及び特性は表3に報告されている。
実施例4
重縮合反応を、無水酢酸亜鉛及びカラートナーである1,4-ビス[(2,4,6-トリメチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオン「PRT ブルー-2」)と3H-ナフト[1,2,3-de]キノリン-2,7-ジオン,3-メチル-6-[(4-メチルフェニル)アミノ](「PRT レッド-2」)(これらはエステル交換工程の後に添加した)の存在下で行ったことを除いては、実施例2に記載の通りにポリマーを調製した。ポリマーの処理条件及び特性は表3に報告されている。
実施例5
重縮合反応を無水酢酸亜鉛及びリン酸の存在下で行ったことを除いては実施例2に記載の通りにポリマーを調製した。リン酸はエステル交換工程の後に添加した。ポリマーの処理条件及び特性は表3に報告されている。
実施例6
重縮合反応を、酢酸亜鉛二水和物、青色及び赤色のアントラキノン化合物、及びリン酸の存在下で行ったことを除いては実施例2に記載の通りにポリマーを調製した。アントラキノン及びリン化合物は、エステル交換工程の後に添加した。ポリマーの処理条件及び特性は表3に報告されている。
比較例B
テトラブチルチタネート触媒を使用して実施例2に記載の通りにPTFポリマーを調製した。ポリマーの処理条件及び特性は表3に報告されている。
Figure 0007204687000020
表3のデータは、亜鉛触媒自体が、他の重合触媒を含まないPTFポリマー(実施例2)のために非常に効果的な重合触媒であることを明確に示している。ポリエステルで公知の最も効果的な重合触媒であるチタン触媒(比較例B)と比較すると、PTFポリマーのための亜鉛触媒はチタンよりも更に効果的であることが分かる。低いエステル交換温度、エステル交換時間、及び重縮合時間にもかかわらず、ポリマーの分子量はより大きく(16610対15080)、チタンと比較した亜鉛触媒の優れた活性を示している。更に、亜鉛触媒を使用して得られた結晶化したPTFポリマーは、ポリマーの白色度(L*)が6単位超高く、黄色度(b*)が5単位低いため、チタン触媒に基づくポリマーよりも色が優れている。
従来のコバルトトナーはPETポリマーの黄色をマスクするために最も広く使用されているトナーの1つであるため、実施例3のポリマーについて得られた色の結果は驚くべきものである。しかしながら、実施例3では、コバルト触媒は、実施例2のポリマーと比較した場合にPTFポリマーの黄色に有意な影響を及ぼさなかった。混合触媒系を使用すると、わずかに大きい分子量を有するポリマーが得られた。
実施例4~6は、トナー及びリン化合物の存在下での亜鉛触媒の有効性を示している:カラートナーは重縮合時間の短縮を助け、リンはポリマーの色を更に改善した。
比較例C
酢酸亜鉛を使用してポリブチレンフランジカルボキシレートを製造する試みにおいて、以下の量の成分を用いて実施例1に記載の通りにエステル交換反応を行った:FDME(1300g;7.05モル)、BDO(952.8g;10.59モル)、及び無水酢酸亜鉛(120ppm)、170~210℃で90分間。理論量のメタノール留分である571mLの代わりに、合計915mLの留分を回収した。留分をプロトンNMRで分析し、52.8重量%のメタノール、41.4重量%のテトラヒドロフラン、4.2重量%の1,4-ブタンジオール、及び1.6重量%のFDMEを含むことが分かった。この実施例は、FDME及びBDOからのポリ(ブチレン2,5-フランジカルボキシレート)ポリマーの合成における触媒としての酢酸亜鉛の効果のなさを示している。
以上、本発明を要約すると以下のとおりである。
1.a)フランジカルボン酸ジアルキルエステルと、1,3-プロパンジオールと、亜鉛化合物と、任意選択的なポリ(アルキレンエーテル)ジオールとを含有する混合物を、約120℃~約220℃の範囲の温度で接触させてプレポリマーを形成する工程であって、前記フランジカルボン酸ジアルキルエステル対前記1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程、及び
b)減圧下で前記プレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリマーを形成する工程、
を含む方法。
2.前記フランジカルボン酸ジアルキルエステルが2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルであり、前記ポリマーがポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)
である、上記1に記載の方法。
3.前記亜鉛化合物が、酢酸亜鉛、アセチルアセトン酸亜鉛、グリコール酸亜鉛、p-トルエンスルホン酸亜鉛、炭酸亜鉛、トリフルオロ酢酸亜鉛、酸化亜鉛、又は硝酸亜鉛を含む、上記1に記載の方法。
4.前記亜鉛化合物の濃度が、前記ポリマーの総重量を基準として約20ppm~約300ppmの範囲である、上記1に記載の方法。
5.工程a)がチタン化合物の不存在下で行われる、上記1に記載の方法。
6.工程b)がチタン化合物の不存在下で行われる、上記1に記載の方法。
7.工程a)と工程b)が共にチタン化合物の不存在下で行われる、上記1に記載の方法。
8.工程a)の前記混合物が、構造A:
Figure 0007204687000021

(式中、各Rは、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)により表されるアントラキノン化合物を更に含み、前記アントラキノン化合物が、前記ポリマーの総重量基準で約1ppm~約20ppmの範囲の量で前記混合物中に存在する、上記1に記載の方法。
9.前記アントラキノン化合物が1,4-ビス[(2,4,6-トリメチルフェニル)アミノ]アントラセン-9,10-ジオンである、上記8に記載の方法。
10.工程a)における前記混合物がリン化合物を更に含み、前記リンが、前記ポリマーの総重量基準で約1ppm~約50ppmの範囲の量で前記混合物中に存在する、上記8に記載の方法。
11.工程a)における前記混合物がリン化合物を更に含み、前記リンが、前記ポリマーの総重量基準で約1ppm~約50ppmの範囲の量で前記混合物中に存在する、上記1に記載の方法。
12.工程b)から得られた前記ポリマーが少なくとも0.60dL/gの固有粘度を有する、上記1に記載の方法。
13.c)工程b)から得られた前記ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポ
リマーを約110℃~約130℃の範囲の温度で結晶化して、結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを得る工程;
を更に含む、上記1に記載の方法。
14.d)前記結晶化したポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーを前記ポリマーの融点よりも低い温度にて固体状態で重合する工程;を更に含む、上記13に記載の方法。
15.前記方法がバッチ式、半連続式、又は連続式である、上記1に記載の方法。
16.上記1の方法により得られるポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマー。
17.前記ポリ(アルキレンエーテル)グリコールが工程a)の前記混合物中に存在し、前記ポリ(アルキレンエーテルグリコール)が、ポリ(エチレンエーテル)グリコール、ポリ(1,2-プロピレンエーテル)グリコール、ポリ(トリメチレンエーテル)グリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、及びポリ(エチレン-コ-テトラメチレンエーテル)グリコールからなる群から選択され、前記ポリマーが、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメントとポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメントとを含むブロックコポリマーである、上記1に記載の方法。
18.上記17に記載の方法より得られる、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ハードセグメント単位とポリ(アルキレンエーテルフランジカルボキシレート)ソフトセグメント単位とを含むコポリマー。
19.a)約140℃~約220℃の範囲の温度で混合物を接触させてプレポリマーを形成する工程であって、前記混合物がフランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、亜鉛化合物、及び構造A
Figure 0007204687000022
(式中、各Rは、H、OH、C~Cアルキル、NHCOCH、SONHC11からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)で表されるアントラキノン化合物を含み、前記フランジカルボン酸ジアルキルエステル対前記1,3-プロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程;並びに
b)減圧下で前記プレポリマーを約220℃~約260℃の範囲の温度に加熱してポリ
(トリメチレンフランジカルボキシレート)を形成する工程;を含む、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法において重縮合速度を増加させる方法。

Claims (2)

  1. a)140℃~220℃の範囲の温度で混合物を接触させてプレポリマーを形成する工程であって、前記混合物がフランジカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-プロパンジオール、亜鉛化合物、及び構造A
    Figure 0007204687000023
    (式中、各Rは、H、OH、C1~C6アルキル、NHCOCH3、SO2NHC611からなる群から独立して選択され、各Q、Y、及びZは、H、OH、NH2、及びNHR’から独立して選択され、R’はシクロヘキシル又は置換アリール基である)で表されるアントラキノン化合物を含み、前記フランジカルボン酸ジアルキルエステル対前記1,3-プ
    ロパンジオールのモル比が1:1.3~1:2.2の範囲である工程;並びに
    b)減圧下で前記プレポリマーを220℃~260℃の範囲の温度に加熱してポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)を形成する工程;を含む、ポリ(トリメチレンフランジカルボキシレート)ポリマーの調製方法。
  2. 前記フランジカルボン酸ジアルキルエステルが2,5-フランジカルボキシレートジメチルエステルである、請求項1に記載の方法。
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