JP7835347B2 - ポリカーボネートジオール、ポリカーボネートジオールの製造方法、ポリウレタン、及びジヒドロキシ化合物含有組成物 - Google Patents

ポリカーボネートジオール、ポリカーボネートジオールの製造方法、ポリウレタン、及びジヒドロキシ化合物含有組成物

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本発明は、ポリカーボネートジオール、及びポリカーボネートジオールの製造方法に関する。
さらに、本発明は、前記ポリカーボネートジオールを用いて得られるポリウレタンに関する。
また、本発明は、ジヒドロキシ化合物含有組成物に関する。
さらに、本発明は、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物を原料とするポリカーボネートジオール、及び、前記ポリカーボネートジオールを原料とするポリウレタンに関する。
工業規模で生産されているポリウレタンとして、ソフトセグメント部の原料にポリカーボネートジオールを用いた、ポリカーボネートタイプのポリウレタンが提案されている(非特許文献1)。
ポリカーボネートタイプのポリウレタンは、耐熱性及び耐加水分解性において最良な耐久グレードとされており、耐久性フィルムや自動車用人工皮革、水系塗料等の塗料、接着剤として広く利用されている。
上記の用途においては、機械的特性に優れ、品質の均一性の観点から機械的特性のバラつきが抑制されたポリウレタンが要求されている。
また、近年では、ポリウレタンの要求特性として、整髪料等に含まれるアルコールに対する耐久性や人体から分泌される皮脂の主成分であるオレイン酸に対する耐久性が求められている。
これらの問題を解決するために、1,4-ブタンジオール等のジオール由来の構造単位を含むポリカーボネートジオールが提案されている。具体的には、特許文献1には、1,4-ブタンジオールと1,5-ペンタンジオールを原料として共重合したポリカーボネートジオール及びその製造方法が提案されている。
また、特許文献2には、1,4-ブタンジオールと1,6-ヘキサンジオールを原料として共重合したポリカーボネートジオール及びその製造方法が提案されている。
また、柔軟性、耐薬品性、耐加水分解性などの物性バランスに優れたポリウレタンを得るため、特許文献3及び4には、1,4-ブタンジオールとジカルボン酸由来の構造単位を含むポリエステルカーボネートジオール及びその製造方法が提案されている。
さらに、特許文献5には、1,4-ブタンジオール由来の構造単位を含むポリカーボネートジオールを製造するにあたり、原料ジオールに含まれるジカルボン酸などの酸成分の含有量を所定値以下に制御することで、テトラヒドロフランの副生を低減させる、工業的生産性に優れたポリカーボネートジオールの製造方法が提案されている。
特開平04-007327号公報 国際公開第2009/063767号 特開2022-137002号公報 国際公開第2023/080134号 特開2018-197358号公報
"ポリウレタンの基礎と応用"96頁~106頁 松永勝治 監修、(株)シーエムシー出版、2006年11月発行
しかしながら、特許文献1~5に記載されたポリカーボネートジオールの製造方法では、ポリカーボネートジオールの収率が不十分であった。
また、特許文献1~5に記載の製造方法により得られたポリカーボネートジオールは、分子量が理論分子量より高くなるため、得られたポリウレタンの機械的特性が低下することが課題であった。
さらに、1,4-ブタンジオール等のジオールを原料とするポリカーボネートジオールを用いて得られるポリウレタンにおいて、当該ジオールに含まれるジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体が、ポリウレタンの機械的特性と耐薬品性を向上させ、さらに、前記機械的強度のバラツキを低減することについて、特許文献1~5には開示も示唆する記載も一切ない。
そのため、従来、1,4-ブタンジオール等のジオールを用いて得られたポリカーボネートジオールを原料として、ポリウレタンを工業的に製造並びに使用するにあたっての品質において、十分に満足し得る結果は得られていなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。
即ち、本発明は、1,4-ブタンジオール等のジオールを原料として得られるポリカーボネートジオールに関するものであり、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンは機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたものとなる。本発明は、このような優れた性能を有するポリウレタンを得ることが可能な、ポリカーボネートジオールの提供を課題とする。
さらに本発明は、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得ることが可能であり、且つ、該ポリカーボネートジオールを用いて得られるポリウレタンは機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたものとなる。本発明は、このような優れた性能を有するポリウレタンを得ることが可能なポリカーボネートジオールの製造方法の提供を目的とする。
さらに本発明は、1,4-ブタンジオール等のジヒドロキシ化合物を含む、ジヒドロキシ化合物含有組成物であって、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを高い収率で製造することが可能な、ジヒドロキシ化合物含有組成物の提供を課題とする。
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、1,4-ブタンジオール等のジオールと、特定のジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体とを原料として、ポリカーボネートジオールを製造することで、上記課題を解決できることを見出した。
即ち、本発明は以下を要旨とする。
[1]下記一般式(I)で表される構造単位(1)と下記一般式(II)で表される構造単位(2)を含むポリカーボネートジオールであって、前記ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合が、該ポリカーボネートジオールの全構造単位100mol%に対して、4.3mol%以下であるポリカーボネートジオール。
(上記一般式(I)中、nは、4~6の整数である。)
(上記一般式(II)中、mは、2~4の整数である。)
[2]前記ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合が、該ポリカーボネートジオールの全構造単位100mol%に対して、3.0mol%以下である、上記[1]に記載のポリカーボネートジオール。
[3]前記一般式(I)で表される構造単位(1)が、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物に由来する構造単位を含む、上記[1]又は[2]に記載のポリカーボネートジオール。
[4]前記一般式(I)で表される構造単位(1)が、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物単独物、又は、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物及び化石燃料由来のジヒドロキシ化合物を含む混合物に由来する、上記[1]~[3]のいずれかに記載のポリカーボネートジオール。
[5]前記バイオマス由来のジヒドロキシ化合物が、非可食性バイオマス及び/又は非化石燃料に由来する化合物である、[3]又は[4]に記載のポリカーボネートジオール。
[6]前記ポリカーボネートジオールの数平均分子量(Mn)が250以上5000以下である、[1]~[5]のいずれかに記載のポリカーボネートジオール。
[7]下記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含有するジヒドロキシ化合物含有組成物と、カーボネート系化合物とを、触媒存在下でエステル交換反応させて、ポリカーボネートジオールを得ることを含む、ポリカーボネートジオールの製造方法であって、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5.3質量%以下である、ポリカーボネートジオールの製造方法。
(上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
(上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
[8]前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基である、上記[7]に記載のポリカーボネートジオールの製造方法。
[9]前記触媒が、チタン原子を含む触媒で、前記触媒の量が、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量に対して、チタン原子換算で50質量ppm以下である、上記[7]又は[8]に記載のポリカーボネートジオールの製造方法。
[10]上記[1]~[6]のいずれかに記載のポリカーボネートジオールと、イソシアネート系化合物とを原料とする、ポリウレタン。
[11]活性エネルギー線硬化性重合体組成物、人工皮革、合成皮革、塗料、コーティング剤、弾性繊維、粘着剤、及び接着剤からなる群より選ばれるいずれかに用いられる、上記[10]に記載のポリウレタン。
[12]下記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含むジヒドロキシ化合物含有組成物であって、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5.3質量%以下である、ジヒドロキシ化合物含有組成物。
(上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
(上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
[13]前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(1-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、40.0質量%以上である、上記[12]に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[14]前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基である、上記[12]又は[13]に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[15]前記化合物(1-1)が、1,4-ブタンジオールを含む、上記[12]~[14]のいずれかに記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[16]前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数4のアルキル基である、上記[14]又は[15]に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[17]前記化合物(I-1)が、バイオマス由来のジオールを含む、上記[12]~[16]のいずれかに記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[18]ポリカーボネートジオールを製造する工程で用いられる、上記[12]~[17]のいずれかに記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
[19]上記[12]~[18]のいずれかに記載のジヒドロキシ化合物含有組成物とカーボネート系化合物を原料とする、ポリカーボネートジオール。
[20]上記[19]に記載のポリカーボネートジオールとイソシアネート系化合物を原料とする、ポリウレタン。
本発明によれば、1,4-ブタンジオール等のジオールを原料として得られたポリカーボネートジオールであって、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたポリウレタンを得ることが可能な、ポリカーボネートジオールを提供できる。
さらに本発明は、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得ることが可能であり、且つ、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたポリウレタンを得ることが可能なポリカーボネートジオールの製造方法を提供できる。
さらに、本発明によれば、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを製造することが可能な、ジヒドロキシ化合物含有組成物を提供することができる。
さらに、本発明によれば、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物を原料とするポリカーボネートジオールであって、機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたポリウレタンを得ることが可能な、ポリカーボネートジオールを提供できる。
実施例及び比較例で得られた、ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られた、ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの収率との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られた、ポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの破断強度との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの100%モジュラスとの関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの300%モジュラスとの関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの破断強度の変動係数との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの100%モジュラスの変動係数との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの300%モジュラスの変動係数との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの耐オレイン酸試験で得られた質量変化率(増加率)との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの耐エタノール試験で得られた質量変化率(増加率)との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合と、該ポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの耐加水分解性試験で得られた破断強度保持率との関係を示すグラフである。
以下、本発明の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
なお、特に断らない限り、本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味し、「A~B」は、A以上B以下であることを意味する。
本明細書において、「A又はB」とは、特に断りのない限り、「A」、「B」及び「A及びB」を意味する。例えば、「A又はBを含む」とは、特に断りのない限り、「Aを含む」、「Bを含む」及び「A及びBを含む」ことを意味する。
本明細書において、「質量%」は全体量100質量%中に含まれる所定の成分の含有割合を示す。
本明細書において“質量%”と“重量%”、“質量ppm”と“重量ppm”、及び“質量部”と“重量部”とは、それぞれ同義である。また、単に“ppm”と記載した場合は、“重量ppm”のことを示す。
本明細書において、「構造単位」とは、ポリカーボネートジオールの製造に用いる原料化合物が重合することにより形成された、前記原料化合物に由来する単位であって、得られた重合体において任意の連結基に挟まれた部分構造を示す。重合体の末端部分で一方が連結基であり、もう一方が重合反応性基である部分構造も含む。構造単位は、重合反応によって直接形成された単位であってもよく、得られた重合体を処理することによって前記単位の一部が別の構造に変換されたものであってもよい。
本明細書において、「繰り返し単位」とは、「構造単位」と同義である。
本明細書において、「任意の」又は「任意に」とは、続いて説明される状況が発生しても発生しなくてもよいことを意味し、そのため、該説明には、該状況が発生した場合と発生しない場合とが含まれる。
本明細書で使用される「約」という用語は、表示値の上下20%を意味することができる。例えば、約75℃は、60℃~90℃の範囲を包含する。
本明細書において、「得られたポリウレタン」とは、本発明のポリカーボネートジオールとイソシアネート系化合物を原料として得られる、ポリウレタンのことをいう。
本明細書において、「本発明のポリカーボネートジオール」、「本発明のポリカーボネートジオールの製造方法」、「本発明のジヒドロキシ化合物含有組成物」、及び「本発明のポリウレタン」を合わせて、「本発明」という。
本明細書に記載の全ての工程は、本明細書に特に記載がない限り、又は文脈によって明らかに矛盾しない限り、好適ないずれの順序でも行うことができる。
<ポリカーボネートジオール>
本発明のポリカーボネートジオールは、下記一般式(I)で表される構造単位(1)と下記一般式(II)で表される構造単位(2)を含むポリカーボネートジオール(以下、「本発明のポリカーボネートジオール」と称す場合がある。)である。
前記構造単位(1)及び前記構造単位(2)の詳細は、後述する。
(上記一般式(I)中、nは、4~6の整数である。)
(上記一般式(II)中、mは、2~4の整数である。)
さらに、本発明のポリカーボネートジオールは、前記ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合が、該ポリカーボネートジオールの全構造単位100mol%に対して、4.3mol%以下である。
本発明のポリカーボネートジオールは、前記構造単位(1)を含むことにより、このポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの機械的強度と耐薬品性が良好となる。
本発明のポリカーボネートジオールは、前記構造単位(2)を含むことで、このポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制される。
さらに、本発明のポリカーボネートジオールは、必要に応じて、後述する化合物(1-1)及び後述する化合物(2-1)を除くヒドロキシ基含有化合物(3-1)に由来する構造単位(3)を、本発明の効果を損なわない範囲で含むことができる。
(ポリカーボネートジオールの分子量)
本発明のポリカーボネートジオールの数平均分子量(Mn)の下限は、特に限定されるものではなく、得られたポリウレタンの機械的特性が良好となる観点から、250以上が好ましく、300以上がより好ましく、400以上がさらに好ましい。一方、前記数平均分子量(Mn)の上限は、特に限定されるものではなく、本発明のポリカーボネートジオールの粘度を適度に抑え、ハンドリング性を良好に維持する観点や、得られたポリウレタンの耐薬品性を良好に維持する観点から、5000以下が好ましく、4000以下がより好ましく、3000以下がさらに好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明におけるポリカーボネートジオールの数平均分子量(Mn)は、250以上5000以下が好ましく、300以上4000以下がより好ましく、400以上3000以下がさらに好ましい。
前記数平均分子量(Mn)は、水酸基価を用いて、下記式により算出される分子量である。
数平均分子量(Mn)=2×56.1/(水酸基価×10-3
この場合、水酸基価は、JIS K1557-1に準拠して、アセチル化試薬を用いた公知の方法にて測定することができる。
(ポリカーボネートジオール組成物の金属原子含有割合)
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法において、ポリカーボネートジオールを製造する際に用いる触媒が残留して含まれる場合がある。このように、触媒に由来する金属を含有するポリカーボネートジオールをポリカーボネートジオール組成物と記載する場合がある。この触媒としては後述のとおり、チタン原子を含む触媒が好ましい。
このため、本発明のポリカーボネートジオール組成物は、触媒に由来してチタン原子等の金属原子を含有する。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法において、前記ポリカーボネートジオール組成物におけるチタン原子等の金属原子の含有割合は、本発明のポリカーボネートジオール組成物の総質量に対して50質量ppm以下であることが好ましく、40質量ppm以下であることがより好ましく、30質量ppm以下であることがさらに好ましく、20質量ppm以下が特に好ましい。本発明のポリカーボネートジオール組成物の金属原子の含有割合が上記上限を超えると、ポリカーボネートジオール組成物の着色、このポリカーボネートジオール組成物を用いてポリウレタンを製造する際の反応阻害等の問題があり、好ましくない。一方で、本発明のポリカーボネートジオール組成物中の金属原子の含有割合を少なくするためには、本発明のポリカーボネートジオール組成物の製造段階で用いる触媒量を低減することが必要になるが、触媒量を低減することで、重合反応効率が低下したり、得られたポリカーボネートジオール組成物を高度に精製する必要が生じ、生産効率の面で好ましくない。この観点から、本発明のポリカーボネートジオール組成物中の金属原子の含有割合は、1質量ppm以上が好ましく、2質量ppm以上がより好ましく、3質量ppm以上がさらに好ましく、4質量ppm以上が特に好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のポリカーボネートジオール組成物中におけるチタン原子等の金属原子の含有割合は、該ポリカーボネートジオール組成物の総質量に対して、1質量ppm以上50質量ppm以下が好ましく、2質量ppm以上40質量ppm以下がより好ましく、3質量ppm以上30質量ppm以下がさらに好ましく、4質量ppm以上20質量ppm以下が特に好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法においては、後述の化合物(1-1)と共に化合物(2-1)を用いることにより、比較的少ない触媒量でポリカーボネートジオールを効率的に製造することができ、ポリカーボネートジオール中の残留金属原子量を低減させることができる。
なお、本発明のポリカーボネートジオールは、上記のとおり金属原子を含有することから「ポリカーボネートジオール」ではなく「ポリカーボネートジオール組成物」とも称されるものであるが、金属原子含有量は、通常質量ppm単位の極少量であり、一般的な工業製品に不純物として含有される程度の微量成分であることから、当業者においては「ポリカーボネートジオール」と称されるものである。
よって、後述の実施例では、金属原子を含有するポリカーボネートジオールを単に「ポリカーボネートジオール」と称し、ポリカーボネートジオール中の金属原子含有量を測定して評価している。
(構造単位(1))
上述した構造単位(1)は、本発明のポリカーボネートジオールの構造中に含まれる、下記一般式(I)で表される構造単位である。
(上記一般式(I)中、nは、4~6の整数である。)
前記一般式(I)におけるnは、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性がより良好となる観点から、4~6の整数であり、4又は6であることが好ましく、4であることがより好ましい。
また、前記構造単位(1)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明のポリカーボネートジオール中の前記構造単位(1)の含有割合の下限は、特に限定されるものではなく、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性が良好となる観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、20mol%以上が好ましく、40mol%以上がより好ましく、50mol%以上がさらに好ましく、60mol%以上が特に好ましい。
一方、前記構造単位(1)の含有割合の上限は、特に限定されるものではなく、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性を良好に維持する観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、100mol%未満が好ましく、99.999mol%以下がより好ましく、99.998mol%以下がさらに好ましく、99.997mol%以下が特に好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のポリカーボネートジオール中の前記構造単位(1)の含有割合は、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、20mol%以上100mol%未満が好ましく、
40mol%以上99.999mol%以下がより好ましく、50mol%以上99.998mol%以下がさらに好ましく、60mol%以上99.997mol%以下が特に好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、前記構造単位(1)は、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性がより良好となる観点から、下記式(Ib)で表される構造単位(1b)を含むことが好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、前記式(Ib)で表される構造単位(1b)は、下記式(Ib-1)で表される化合物、即ち1,4-ブタンジオールに由来する構造単位を用いることができる。
本発明のポリカーボネートジオール中の前記構造単位(1b)の含有割合の下限は、特に限定されるものではなく、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性が良好となる観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、20mol%以上が好ましく、40mol%以上がより好ましく、50mol%以上がさらに好ましく、60mol%以上が特に好ましい。
一方、前記構造単位(1b)の含有割合の上限は、特に限定されるものではなく、得られるポリウレタンの機械的特性と耐薬品性を良好に維持する観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、100mol%未満が好ましく、99.999mol%以下がより好ましく、99.998mol%以下がさらに好ましく、99.997mol%以下が特に好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のポリカーボネートジオール中の前記構造単位(1b)の含有割合は、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、20mol%以上100mol%未満が好ましく、40mol%以上99.999mol%以下がより好ましく、50mol%以上99.998mol%以下がさらに好ましく、60mol%以上99.997mol%以下が特に好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、該ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(1)の含有割合を、上述した数値範囲内に制御する具体的な方法は、特に限定されるものではなく、この分野の当業者であれば、後述する本発明のポリカーボネートジオールの製造方法の製造条件を、周知技術に基づいて、適宜最適化することにより制御できる。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、前記一般式(I)で表される構造単位(1)を導入するには、下記一般式(I-1)で表されるジヒドロキシ化合物(1-1)(本明細書においては、単に「化合物(1-1)」ともいう。)に由来する構造単位を用いることができる。
(上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
前記一般式(I-1)におけるnは、上記一般式(I)におけるnと同義であり、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性がより良好となる観点から、nは4~6の整数であり、4又は6であることが好ましく、4であることがより好ましい。
前記式(I-1)で表される化合物は、特に限定されるものではなく、ポリカーボネートジオールの原料に用いられる公知のジヒドロキシ化合物を適宜選択して用いることができる。前記式(I-1)で表される化合物(1-1)としては、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオールが挙げられ、耐薬品性などの耐久性が優れる観点から、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオールが好ましく、1,4-ブタンジオール(前記一般式(I-1)のn=4)が特に好ましい。前記化合物(1-1)は、ポリカーボネートジオールの使途や製造条件等に応じて、当業者が適宜選択することができる。
また、これらの化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
本発明のポリカーボネートジオールは、前記化合物(1-1)として、バイオマス由来の化合物(1-1)を用いることにより、持続可能な開発目標(SDGs)の達成を図ることができる。具体的には、バイオマス由来のジオールの単独物、又は、バイオマス由来のジオール及び化石燃料由来のジオールを含む混合物を用いることができる。
バイオマス由来の化合物(1-1)とは、非可食性バイオマス及び/又は非化石燃料に由来する化合物(1-1)である。
本発明において、非可食性バイオマスとは、非可食性の草や樹木を原料とした資源のことをいう。具体的には、針葉樹や広葉樹などの木質系バイオマスから得られるセルロース、ヘミセルロース、リグニン等や、トウモロコシやサトウキビの茎、ダイズやナタネなどの草本系バイオマスから得られるバイオエタノールやバイオディーゼル、植物由来の廃油等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明において、非化石燃料とは、例えば、水素、又は、化石燃料や非可食性バイオマスに由来しない動植物由来の有機物のことをいう。具体的には、薪、炭、乾燥した家畜糞等から得られる、メタン、糖エタノール等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明において、化石燃料由来の化合物(1-1)とは、石油由来の化合物(1-1)、石炭由来の化合物(1-1)、天然ガス由来の化合物(1-1)から選ばれる少なくとも1種のことをいう。
上述したバイオマス由来の化合物(1-1)には、その由来により、前述した構造単位(2)の由来となる化合物(2-1)が含まれることがあるため、該化合物(1-1)中の前記化合物(2-1)の含有割合を制御してポリカーボネートジオールを製造したり、該化合物(1-1)を原料として得られるポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合を制御したりすることにより、上述した本発明の効果を得ることができる。
例えば、本発明におけるポリカーボネートジオールは、前記構造単位(1)の由来となる化合物(1-1)として、化石燃料由来の1,4-ブタンジオールの単独物を用いることができる。
本発明におけるポリカーボネートジオールは、前記化合物(1-1)として、バイオマス由来の1,4-ブタンジオールを含む1,4-ブタンジオール、具体的にはバイオマス由来の1,4-ブタンジオールの単独物、又はバイオマス由来の1,4-ブタンジオール及び化石燃料由来の1,4-ブタンジオールを含む混合物を用いることにより、持続可能な開発目標(SDGs)の達成を図ることができる。
バイオマス由来の1,4-ブタンジオールとは、非可食性バイオマス及び/又は非化石燃料に由来する1,4-ブタンジオールである。
また、本発明において、化石燃料由来の1,4-ブタンジオールとは、石油由来の1,4-ブタンジオール、石炭由来の1,4-ブタンジオール、天然ガス由来の1,4-ブタンジオールから選ばれる少なくとも1種のことをいう。
上述したバイオマス由来の1,4-ブタンジオールには、その由来により、前述した化合物(2-1)が含まれることがあるため、該1,4-ブタンジオール中の前記化合物(2-1)の含有割合を制御してポリカーボネートジオールを製造したり、該1,4-ブタンジオールを原料として得られるポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合を制御したりすることにより、上述した本発明の効果を得ることができる。
(構造単位(2))
上述した構造単位(2)は、本発明のポリカーボネートジオールの構造中に含まれる、下記一般式(II)で表される構造単位である。
(上記一般式(II)中、mは、2~4の整数である。)
前記一般式(II)におけるmは、2~4の整数であり、得られたポリウレタンの機械的特性がより良好となる観点から、mは2又は4であることが好ましく、mは2であることがより好ましい。
前記構造単位(2)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合の上限は、得られたポリウレタンの機械的特性や、耐薬品性や耐加水分解性などの耐久性を良好に維持できると期待される観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、通常4.3mol%以下であり、3.0mol%以下が好ましく、0.9mol%以下がより好ましく、0.8mol%以下がさらに好ましく、0.7mol%以下が特に好ましく、0.5mol%以下が最も好ましい。
一方、前記構造単位(2)の含有割合の下限は、特に限定されるものではなく、得られるポリウレタンの機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制される観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、0.0001mol%以上とすることができ、0.0005mol%以上が好ましく、0.001mol%以上がより好ましく、0.002mol%以上がさらに好ましく、0.003mol%以上が特に好ましく、0.005mol%以上が最も好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のポリカーボネートジオールの構造単位(2)の含有割合は、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、0.0001mol%以上4.3mol%以下とすることができ、0.0005mol%以上3.0mol%以下が好ましく、0.001mol%以上0.9mol%以下がより好ましく、0.002mol%以上0.8mol%以下がさらに好ましく、0.003mol%以上0.7mol%以下が特に好ましく、0.005mol%以上0.5mol%以下が最も好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、該ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合を、上述した数値範囲内に制御する具体的な方法は、特に限定されるものではない。例えば、バイオマス資源として糖などを原料とし、それらを菌体で発酵させて前記化合物(1-1)を得る際に、ジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体等の後述する化合物(2-1)が副生するので、菌体の種類や発酵時間、蒸留精製条件などを調整することで制御できる。それ以外の方法については、この分野の当業者であれば、後述する本発明のポリカーボネートジオールの製造方法の製造条件を、周知技術に基づいて、適宜最適化することにより制御できる。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、前記一般式(II)で表される構造単位としては、下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)に由来する構造単位を用いることができる。
(上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
前記一般式(II―1)におけるmは、上記一般式(II)におけるmと同義であり、2~4の整数である。得られたポリウレタンの機械的特性がより良好となる観点から、mは2又は4であることが好ましく、mは2であることがより好ましい。
前記一般式(II―1)におけるRは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい炭素数2~20のアルキル基のいずれかである。
の少なくとも一方がヘテロ原子である場合、化合物(2-1)はカルボン酸塩となる。このような場合、前記ヘテロ原子は特に限定されるものではなく、本発明におけるポリカーボネートジオールを製造する際に前記化合物(2-1)の溶液への溶解性が良好となる観点から、リチウム、ナトリウム、カリウムが好ましい。
の少なくとも一方が、ヘテロ原子又は置換基を有していてもよい炭素数2~20のアルキル基である場合、化合物(2-1)はカルボン酸エステルとなる。前記炭素数2~20のアルキル基は特に限定されるものではなく、本発明におけるポリカーボネートジオールを製造する際に前記化合物(2-1)の溶液への溶解性が良好となる観点から、アルキル基の炭素数は3~10が好ましく、3~6がより好ましく、4~6がさらに好ましく、酸素原子を含む炭素数4~6のアルキル基が特に好ましい。
前記一般式(II―1)において、Rの少なくとも一方は、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得る観点から、ヘテロ原子又は置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基であることが好ましく、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数4のアルキル基であることがより好ましい。Rの前記炭素数2~20のアルキル基としては、具体的には、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、ヒドロキシブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヒドロキシヘキシル基、オクチル基、デシル基、ヒドロキシデシル基、ドデシル基、オクタデシル基、エイコシル基等が挙げられる。
前記化合物(2-1)は、特に限定されるものではなく、例えば、公知のジカルボン酸、公知のジカルボン酸塩、公知のジカルボン酸エステルが挙げられる。中でも、ポリカーボネートジオールの着色抑制や溶解性の観点から、カルボン酸又はカルボン酸エステルが好ましい。ポリカーボネートジオールを製造する際の重合安定性の観点から、カルボン酸エステルがより好ましい。
前記化合物(2-1)としては、前記化合物(1-1)の前駆体化合物が挙げられる。
例えば、前記化合物(2-1)として、前記化合物(1-1)の前駆体化合物である、炭素数4~6のジカルボン酸、ジカルボン酸塩、及びジカルボン酸エステルからなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。
前記化合物(2-1)として、より具体的には、前記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)の前駆体として、
n=4の場合は、コハク酸、コハク酸塩、コハク酸エステル;
n=5の場合は、グルタル酸、グルタル酸塩、グルタル酸エステル;
n=6の場合は、アジピン酸、アジピン酸塩、アジピン酸エステル:
が挙げられる。
これらの化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(構造単位(3))
上述したように、本発明のポリカーボネートジオールは、必要に応じて、化合物(1-1)及び化合物(2-1)を除くヒドロキシ基含有化合物(3-1)に由来する構造単位(3)を、本発明の効果を損なわない範囲で含むことができる。
前記ジヒドロキシ化合物(3-1)として、具体的には、1,3-プロパンジオール、1,7-ヘプタンジオール、1,8-オクタンジオール、1,9-ノナンジオール、1,10-デカンジオール、1,11-ウンデカンジオール、1,12-ドデカンジオール、1,13-トリデカンジオール、1,14-テトラデカンジオール、1,16-ヘキサデカンジオール、1,18-オクタデカンジオール、1,20-エイコサンジオールなどの直鎖のジオール;1,3-ブタンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、2-メチル-1,4-ブタンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、2-エチル-1,6-ヘキサンジオール、2-メチル-1,8-オクタンジオール、2,2-ジメチル-1,3-プロパンジオール、2,4-ジエチル-1,5-ペンタンジオール、2-ブチル-2-エチル-1,3-プロパンジオール、2,2-ジメチル-1,3-プロパンジオールなどの側鎖を有するジオール;1,4-シクロヘキサンジメタノール、2-ビス(4-ヒドロキシシクロヘキシル)-プロパンなどの環状ジオール;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などのオキシアルキレングリコール;立体異性体の関係にある、イソソルバイド、イソマンニド、イソイデットなどの環状エ-テル構造を有するジオール;トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール、ペンタエリスリトールなどの1分子に3以上のヒドロキシル基を有するポリオール:が挙げられる。
これらの化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記ポリカーボネートジオール中の構造単位(3)の含有割合の上限は、該ポリカーボネートジオールを原料として得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性を良好に維持する観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、70mol%以下が好ましく、50mol%以下がより好ましく、40mol%以下がさらに好ましく、30mol%以上が特に好ましい。
一方、前記構造単位(3)の含有割合の下限は、特に限定されるものではなく、該ポリカーボネートジオールを原料として得られたポリウレタンの機械的特性を良好に維持する観点から、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、1mol%以上が好ましく、2mol%以上がより好ましく、3mol%以上がさらに好ましく、4mol%以上が特に好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のポリカーボネートジオールの構造単位(3)の含有割合は、該ポリカーボネートジオールの構造単位100mol%に対して、1mol%以上70mol%以下が好ましく、2mol%以上50mol%以下がより好ましく、3mol%以上40mol%以下がさらに好ましく、4mol%以上30mol%以下が特に好ましい。
本発明のポリカーボネートジオールにおいて、該ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(3)の含有割合を、上述した数値範囲内に制御する具体的な方法は、特に限定されるものではなく、この分野の当業者であれば、後述する本発明のポリカーボネートジオールの製造方法の製造条件を、周知技術に基づいて、適宜最適化することにより制御できる。
本発明のポリカーボネートジオールが、前記構造単位(3)を含有する場合、本発明のポリカーボネートジオールの製造原料として用いられる後述のジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(1-1)の含有割合は、特に限定されるものではなく、ポリカーボネートジオールのハンドリング性や、得られたポリウレタンの機械的特性や耐久性が良好となる観点から、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、40質量%以上がさらに好ましく、50質量%以上が特に好ましい。
一方、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(1-1)の含有割合の上限は、特に限定されるものではなく、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、100質量%未満が好ましく、98質量%以下がより好ましく、95質量%以下がさらに好ましく、90質量%以下が特に好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明のジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(1-1)の含有割合は、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5質量%以上100質量%未満が好ましく、10質量%以上98質量%以下がより好ましく、40質量%以上95質量%以下がさらに好ましく、50質量%以上90質量%以下が特に好ましい。
<ジヒドロキシ化合物含有組成物>
本発明におけるジヒドロキシ化合物含有組成物は、下記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含有する、組成物である。
(上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
(上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
本発明のジヒドロキシ化合物含有組成物における、前記化合物(1-1)及び前記化合物(2-1)は、それぞれ、本発明のポリカーボネートジオールの説明で挙げた、前記化合物(1-1)及び前記化合物(2-1)と同義として扱う。
本発明において、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合の上限は、ポリカーボネートジオール重合時の分子量制御が容易であり、且つ、該ポリカーボネートジオールより得られるポリウレタンの機械的特性、耐薬品性が良好となる観点から、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5.3質量%以下であり、4.0質量%以下が好ましく、3.2質量%以下がより好ましく、2.5質量%以下がより一層好ましく、1.5質量%以下がさらに好ましく、1.0質量%以下が特に好ましく、0.5質量%以下が最も好ましい。
一方、前記化合物(2-1)の含有割合の下限は、特に限定されるものではなく、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得る観点から、通常は該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、0.0001質量%以上とすることができ、0.001質量%以上が好ましく、0.002質量%以上がより好ましく、0.003質量%以上がより一層好ましく、0.005質量%以上がさらに好ましく、0.007質量%以上が特に好ましく、0.010質量%以上が最も好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明において、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物に含有される、化合物(2-1)の含有割合は、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、0.0001質量%以上5.3質量%以下とすることができ、0.001質量%以上4.0質量%以下が好ましく、0.002質量%以上3.2質量%以下がより好ましく、0.003質量%以上2.5質量%以下がより一層好ましく、0.005質量%以上1.5質量%以下がさらに好ましく、0.007質量%以上1.0質量%以下が特に好ましく、0.010質量%以上0.5質量%以下が最も好ましい。
前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合を調整する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、カルボン酸やカルボン酸エステルの水素化反応により前記化合物(1-1)を得る際に、水素化反応工程におけるカルボン酸やカルボン酸エステルの転化率を調整することで制御できる。
例えば、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の製造段階において化合物(2-1)の含有割合を低減する方法として、水素化反応で使用する触媒量を多くしたり、滞留時間を長くしたり、水素圧力を過大にしたりする等で転化率を高くするほど、得られたジヒドロキシ化合物含有組成物において、前記化合物(2-1)の含有割合は低減する。
一方、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の製造段階において化合物(2-1)の含有割合を増加する方法として、水素化反応で使用する触媒量を減らしたり、滞留時間を短くしたり、水素圧力を低下したりする等で転化率を低くするほど、前記化合物(2-1)の含有割合は増加する。
なお、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の製造段階において化合物(2-1)の含有割合を0.0001質量%未満まで低減するには、ジヒドロキシ化合物の原料であるカルボン酸やカルボン酸エステルの水素化反応に使用する触媒量を多くしたり、滞留時間を長くしたり、水素圧力を過大にしたりする等の方法を用いることができるが、製造段階における負荷が大きく容易ではない。
前記化合物(1-1)が、1,4-ブタンジオール(化合物(1-1)、n=4)であり、且つ、バイオマス由来に由来する場合に、上述したコハク酸などのカルボン酸やコハク酸ナトリウムなどのカルボン酸塩、ビス(4-ヒドロキシブチル)コハク酸やモノ(4-ヒドロキシブチル)コハク酸などのカルボン酸エステルが、化合物(2-1)として、当該1,4-ブタンジオール中に含まれることがある。
本発明において、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(1-1)の含有割合の下限は、ポリカーボネートジオール重合時の分子量制御が容易であり、且つ、該ポリカーボネートジオールより得られるポリウレタンの機械的特性、耐薬品性が良好となる観点から、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、40.0質量%以上が好ましく、50.0質量%以上がより好ましく、60.0質量%以上がさらに好ましく、80.0質量%以上が特に好ましく、90.0質量%以上が最も好ましい。
前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(1-1)の含有割合は、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物に含まれる化合物(2-1)以外の全量であってもよい。
一方、前記化合物(1-1)の含有割合の上限は、特に限定されるものではなく、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得る観点から、通常は該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、99.999質量%以下が好ましく、99.998質量%以下がより好ましく、99.995質量%以下がさらに好ましく、99.993質量%以下が特に好ましく、99.990質量%以下が最も好ましい。
上記の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。例えば、本発明において、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物に含有される、化合物(1-1)の含有割合は、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、40.0質量%以上99.999質量%以下が好ましく、50.0質量%以上99.998質量%以下がより好ましく、
60.0質量%以上99.995質量%以下がさらに好ましく、80.0質量%以上99.993質量%以下が特に好ましく、90.0質量%以上99.990質量%以下が最も好ましい。
<ポリカーボネートジオールの製造方法>
本発明のポリカーボネートジオールを製造する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、Schnell著、ポリマー・レビューズ第9巻、p9~20(1994年)や国際公開第2015/199070号等に記載される公知のポリカーボネートジオールの製造方法を用いることができる。
本発明のポリカーボネートジオールを製造する方法の好ましい一実施形態として、本発明のポリカーボネートジオールの製造方法について、以下に説明する。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法は、上述した本発明のジヒドロキシ化合物含有組成物、具体的には前記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び前記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含有するジヒドロキシ化合物含有組成物と、カーボネート系化合物とを、触媒存在下でエステル交換反応により重縮合させて、ポリカーボネートジオールを得ることを含む。
さらに、本発明のポリカーボネートジオールの製造方法は、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、5.3質量%以下である。
前記カーボネート系化合物、前記触媒の詳細は、後述する。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法では、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物が、化合物(2-1)を含有することにより、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを高い収率で得ることができる。
さらに、得られたポリカーボネートジオールを用いて、機械的特性、耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたポリウレタンを得ることができる。
なお、本発明において、ポリカーボネートジオールの理論分子量とは、原料であるジヒドロキシ化合物とカーボネート系化合物が100%反応し、ジヒドロキシ化合物が全てポリカーボネートジオールの構成単位となった場合に、ジヒドロキシ化合物とカーボネート系化合物の仕込み比率から算出される分子量のことで、ジヒドロキシ化合物の分子量とモル量、カーボネート系化合物のモル量、そして下記式を用いて算出される。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法における、前記化合物(1-1)及び前記化合物(2-1)は、それぞれ、本発明のポリカーボネートジオールの説明で挙げた、前記化合物(1-1)及び前記化合物(2-1)と同義として扱う。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法の一実施形態として、カーボネート系化合物としてジフェニルカーボネートを用いる方法を以下に述べる。ポリカーボネートジオールの製造は、2段階に分けて行うことができる。
1段目の反応では、化合物(1-1)、化合物(2-1)、及びジフェニルカーボネートをモル比で化合物(1-1):{カーボネート系化合物+化合物(2-1)}=20:1~1:10、好ましくは10:1~1:2の割合で混和し、後述する触媒を添加した後、常圧下、100~250℃で反応させ、ジフェニルカーボネートの分解により生成するフェノールを反応系外に除去しながら、低分子量のポリカーボネートジオールを含む反応生成物を得る。2段目の反応では、前記1段目の反応生成物を、減圧下、130~250℃で加熱して、フェノールと未反応の化合物(1-1)及び化合物(2-1)を反応系外に除去しながら、低分子量ポリカーボネートジオールを自己縮合させて、所定の分子量のポリカーボネートジオールを得る。
(カーボネート系化合物)
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法に使用可能なカーボネート系化合物は、本発明の効果を損なわない限り、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネートなどのジアルキルカーボネート;ジフェニルカーボネートなどのジアリールカーボネート;エチレンカーボネート、トリメチレンカーボネート、1,2-プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、1,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネートなどのアルキレンカーボネート;などが挙げられる。これらの中から1種又は2種以上のカーボネート系化合物を原料として用いることができる。
これらの中でも、前記化合物(1-1)との反応性や、入手の容易性、重合反応の条件設定の容易性の観点から、カーボネート系化合物としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジフェニルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチレンカーボネートからなる群から選ばれる1種又は2種以上を用いることが好ましい。
カーボネート系化合物の使用量は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/199070号に記載された条件を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
(触媒)
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法において、化合物(1-1)及び化合物(2-1)と、カーボネート系化合物とをエステル交換反応により重縮合させて、ポリカーボネートジオールを得る際に、エステル交換反応を促進するための触媒として、ポリカーボネートジオールの合成に用いられる公知のエステル交換触媒(以下、「触媒」と称する場合がある。)を用いることができる。
その場合、得られたポリカーボネートジオール中に、過度に多くの触媒が残存すると、該ポリカーボネートジオールが着色したり、該ポリカーボネートジオールを用いてポリウレタンを製造する際に反応を阻害したり、反応を過度に促進したりする場合がある。
前記触媒の種類や使用量、ポリカーボネートジオール中に残存する触媒量は、特に限定されるものではない。触媒としては、例えば、国際公開第2015/199070号や特開2022-92121号公報に記載された触媒を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法において、前記触媒として、マグネシウ原子を含む触媒又はチタン原子を含む触媒を用いることが好ましい。
マグネシウム原子を含む触媒は、特に限定されるものではなく、例えば、水酸化マグネシウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、ステアリン酸マグネシウム、フェニルリン酸マグネシウム等が挙げられる。
チタン原子を含む触媒は、特に限定されるものではなく、例えば、テトラエチルチタネート、テトライソプロピルチタネート、テトラ-n-ブチルチタネート等のチタンアルコキシド;四塩化チタン等のチタンのハロゲン化物が挙げられる。
特に、本発明においては、チタン原子を含む触媒を用いることにより、前記化合物(1-1)と前記化合物(2-1)を用いてポリカーボネートジオールを製造する場合でも、ポリカーボネートジオールの収率向上、ポリカーボネートジオールの分子量の過剰な増加の抑制、比較的少ない触媒使用量により得られたポリカーボネートジオール中の触媒残留量の低減が可能となる。
前記チタン原子を含む触媒の使用量としては、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量に対して、チタン原子換算で50質量ppm以下とすることができ、35質量ppm以下であってもよく、25質量ppm以下であってもよい。ただし、この触媒量が少な過ぎると、十分な触媒効果が得られないため、前記チタン原子を含む触媒の使用量としては、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量に対して、チタン原子換算で1質量ppm以上、特に2質量ppm以上、とりわけ3質量ppm以上とすることが好ましい。
(触媒失活剤)
前述の如く、重合反応の際に触媒を用いた場合、通常得られたポリカーボネートジオールには触媒が残存し、残存する触媒により、ポリカーボネートジオールを加熱した際に分子量上昇や組成変化等が起こったり、ポリウレタン化反応の制御が出来なくなったりする場合がある。この残存する触媒の影響を抑制するために、必要に応じて、使用されたエステル交換触媒とほぼ当モルの例えばリン系化合物等の触媒失活剤を添加し、エステル交換触媒を不活性化することができる。さらには添加後、加熱処理等により、エステル交換触媒を効率的に不活性化することができる。
前記触媒失活剤の種類や使用量、加熱処理の条件は、特に限定されるものではない。触媒失活剤としては、例えば、国際公開第2015/199070号や特開2022-92121号公報に記載された触媒失活剤を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
(精製)
エステル交換反応により得られた反応生成物は、ポリマー末端に水酸基を有さない不純物、フェノール、原料ジヒドロキシ化合物、原料カーボネート系化合物、副生する軽沸の環状カーボネート及び添加した触媒等を含むものであることから、これらを除去する目的で精製することができる。
前記精製条件は、特に限定されるものではない。例えば、特開2022-92121号公報に記載された条件を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
(ポリカーボネートジオールの分子量)
本発明のポリカーボネートジオールの製造方法において、得られたポリカーボネートジオールの数平均分子量(Mn)は、本発明のポリカーボネートジオールについて述べた理由と同じ理由により、250以上5000以下が好ましく、300以上4000以下がより好ましく、400以上3000以下がさらに好ましい。
<ポリウレタン>
本発明のポリウレタンは、本発明のポリカーボネートジオールとイソシアネート系化合物を原料として得られるポリウレタンである。
なお、本発明のポリウレタンは、本発明の効果を損なわない範囲で、前記ポリカーボネートジオール及び前記イソシアネート系化合物以外の化合物を、原料として用いることができる。
本発明のポリカーボネートジオールは、上述した構造単位(2)を含むことにより、その結晶性が向上する。その結果、本発明のポリカーボネートジオールを原料として得られるポリウレタンにおいても結晶性が向上し、さらに、ポリウレタン鎖同士の相互作用が強くなることで、ポリウレタンの機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されると期待される。
本発明のポリウレタンを製造する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号等に記載された、公知のポリウレタンの反応条件を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
例えば、本発明のポリカーボネートジオールを、必要に応じて用いられる本発明のポリカーボネートジオール以外のポリオール、及び後述するイソシアネート系化合物、さらに必要に応じて用いられる後述する鎖延長剤を、常温から200℃の範囲で反応させることにより、本発明のポリウレタンを製造することができる。
鎖延長剤を用いる場合、鎖延長剤は、反応の最初から加えておいてもよいし、反応の途中から加えてもよい。例えば、本発明のポリカーボネートジオールと過剰のポリイソシアネートとをまず反応させて末端にイソシアネート基を有するプレポリマーを製造し、さらに鎖延長剤を添加して前記プレポリマーと反応させ、ポリマーの重合度を上げることにより、本発明のポリウレタンを製造することができる。
(イソシアネート系化合物)
本発明のポリウレタンの製造に使用されるイソシアネート系化合物としては、ポリウレタンの製造に用いられる、公知のイソシアネート系化合物を使用できる。
前記イソシアネート系化合物は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された、イソシアネート系化合物を用いることができる。
(鎖延長剤)
本発明のポリウレタンの製造に使用される鎖延長剤としては、ポリウレタンの製造に用いられる公知の鎖延長剤を使用できる。
前記鎖延長剤は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された、ジオール類、アミン類、水等が挙げられる。
(鎖停止剤)
本発明のポリウレタンを製造する際には、ポリウレタンの分子量を制御する目的で、必要に応じて、ポリウレタンの製造に用いられる公知の鎖停止剤を使用できる。
前記鎖停止剤は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された、一価アルコールや二級アミン等の1個の活性水素基を有する化合物が挙げられる。
(触媒)
本発明のポリウレタンを製造する際には、ポリウレタンの製造に用いられる公知の触媒を使用できる。
前記触媒は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された、三級アミンや錫、チタンなどの有機金属塩等に代表される公知の重合触媒を用いることができる。
(溶媒)
本発明のポリウレタンを製造する際には、必要に応じて、溶媒を用いてもよい。
前記溶媒は、特に限定されるものではなく、例えば、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された溶媒が挙げられる。
(使用量・使用方法)
本発明のポリウレタンの製造方法において、前記ポリイソシアネートや前記鎖延長剤、前記鎖停止剤、前記触媒、及び前記溶媒の使用量や使用方法等は、特に限定されるものではなく、国際公開第2015/016261号や国際公開第2018/088575号に記載された条件を、当業者が公知技術に従って適宜最適化して用いることができる。
(ポリウレタンの重量平均分子量(Mw))
本発明のポリウレタンの重量平均分子量(Mw)は、特に限定されるものではなく、得られたポリウレタンの機械的特性と耐薬品性のバランスが良好となる観点から、5万以上50万以下が好ましく、10万以上30万以下がより好ましく、12万以上20万以下がさらに好ましい。
<ポリウレタンの用途>
本発明のポリウレタンは、機械的特性及び耐薬品性が良好であるため、フォーム、エラストマー、弾性繊維、水系ポリウレタン塗料等の塗料、繊維、粘着剤、接着剤、床材、シーラント、医療用材料、人工皮革、合成皮革、コーティング剤、活性エネルギー線硬化性重合体組成物等に広く用いることができる。
[作用効果]
本発明のポリカーボネートジオールは、該ポリカーボネートジオールを製造する際のジヒドロキシ化合物含有組成物に所定量の前記化合物(2-1)であるジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体を含むため、触媒活性を向上させることができ、高収率で所定の分子量に制御されたポリカーボネートジオールを提供できる。所定量のジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体が触媒活性を向上させる理由は定かではないものの、以下のように推察される。
本発明者らの検討によれば、ポリカーボネートジオールを重合する場合、未反応のジオールが留出するとポリカーボネートジオールの分子量は増加する。ジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体を含有するジヒドロキシ化合物含有組成物を用いてポリカーボネートジオールを重合する場合、ジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体が触媒と配位することで触媒活性が向上したと推察される。触媒活性が向上すれば、ジヒドロキシ化合物とカーボネート系化合物の反応が促進し、未反応のジヒドロキシ化合物量が低減するので、ジヒドロキシ化合物の留出量が低減し、ポリカーボネートジオールの分子量の増加が抑制されたと推察される。
また、ジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体が過剰にあると、反応中に残存したジカルボン酸又はジカルボン酸誘導体とポリカーボネートジオールが反応し、分子鎖の伸長反応が進行する。その結果、ポリカーボネートジオールの分子量が増加したと推察される。
さらに、本発明のポリカーボネートジオール組成物は、前記構造単位(2)を含むことにより、機械的特性と耐薬品性に優れ、前記機械的特性のバラツキが抑制されたポリウレタンを提供できる。この理由は定かではないが、以下のように推察される。
本発明のポリカーボネートジオールを原料としてポリウレタンを製造する場合、該ポリカーボネートジオールに含まれる前記構造単位(2)はエステル結合を有しており、ポリウレタン分子間でエステル結合同士またはエステル結合とアミド結合を介して水素結合による相互作用が向上する。水素結合による相互作用により、当該結合部分は架橋点又は結晶性のハードセグメント構造として作用し、ポリウレタンの機械的特性が向上するものと推察される。
また、前記構造単位(2)を含むポリカーボネートジオールを用いて得られたポリウレタンは、前記のポリウレタン分子間の水素結合による相互作用の向上により、ポリウレタンに適度な粘度を与える。その結果、ポリウレタン組成の均一性を攪拌操作により効率的に向上させることが可能となる。また、前記粘度が適度に向上することで、ポリウレタン又はポリウレタン含有組成物の塗工安定性や成形安定性が向上して、得られたフィルム状物や繊維状物、その他成形体の寸法安定性が向上する。このことにより、得られるポリウレタン製品において機械的特性のバラつきが抑制されると推察される。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、これらの実施例に限定されるものではない。
[使用原料]
実施例及び比較例で使用した原料の略号は以下のとおりである。
<化合物(1-1)>
16HD:1,6-ヘキサンジオール(BASF株式会社製)
14BD:1,4-ブタンジオール(東京化成工業株式会社製)
<カーボネート系化合物>
DPC:ジフェニルカーボネート(三菱ケミカル株式会社製)
DEC:ジエチルカーボネート(東京化成工業株式会社製)
<触媒>
TBT:オルトチタン酸テトラブチル(東京化成工業株式会社製)
<化合物(2-1)>
コハク酸ジブチル(東京化成工業株式会社製)
コハク酸(東京化成工業株式会社製)
コハク酸ジナトリウム(東京化成工業株式会社製)
<ウレタン合成原料>
MDI:ジフェニルメタンジイソシアネート(東ソー株式会社製)
U-830:ジオクチル錫モノデカネート(商品名:ネオスタンU-830、日東化成株式会社製)
DMF:N,N-ジメチルホルムアミド脱水品(富士フィルム和光純薬工業株式会社製)
[評価方法]
以下において、各物性値の評価方法は下記のとおりである。
<ポリカーボネートジオール中の14BD/16HD比率(構造単位(1b)の含有割合)>
実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールを、CDCl(重水素化クロロホルム)に溶解し、核磁気共鳴スペクトル測定装置(400MHz、日本電子株式会社製、機種名:ECZ400S)を用いて、測定温度30℃、積算回数64回の条件で、H-NMR測定を行った。
得られたH-NMR測定結果から、下記のシグナル位置に観察されたピークを同定し、それぞれのピークの積分値A~Eを取得した。
δ2.60~2.55ppmに存在するポリカーボネートジオール中のコハク酸類に由来する構造のメチレン基の4Hプロトンの積分値=A
δ4.35~3.85ppmに存在するポリカーボネートジオール中のカーボネート結合隣のメチレン基の4Hプロトンピークの積分値=B
δ3.70~3.50ppmに存在するポリカーボネートジオール中の水酸基末端隣のメチレン基の2Hプロトンピークの積分値=C
δ1.90~1.50ppmに存在するポリカーボネートジオール中の1,6-ヘキサンジオールと1,4-ブタンジオールに由来する構造のβメチレン基の4Hプロトンピークの積分値=D
δ1.45~1.25ppmに存在するポリカーボネートジオール中の1,6-ヘキサンジオールに由来する構造のγメチレン基の4Hプロトンピークの積分値=E
1,4-ブタンジオール(以下、「14BD」と略する。)に由来する構造単位、及び、1,6-ヘキサンジオール(以下、「16HD」と略する。)に由来する構造単位のプロトン数に基づいて、下記式を用いて、14BD/16HD比率を算出した。
(16HD割合)=E/D
(14BD割合)=1-E/D
(14BD/16HD比率)=(14BD割合)×100/(16HD割合)×100
<ポリカーボネートジオールの分子量M(PCD)>
上述した「ポリカーボネートジオール中の14BD/16HD比率」の測定で得られたH-NMR測定結果から、コハク酸類に由来するポリカーボネートジオール中の構造単位(以下、「コハク酸類由来の構造単位」という。)に由来するピークの積分値を「SA」とした。なお、前記「コハク酸類由来の構造単位」は、本発明における「構造単位(2)」と同義として扱うことができる。
また、16HDに由来するポリカーボネートジオール末端の構造単位に由来するピークの積分値を「16HD」、14BDに由来するポリカーボネートジオール末端の構造単位に由来するピークの積分値を「14BD」とした。
また、ポリカーボネートジオール末端以外のポリカーボネートジオール中の16HD由来の構造単位に由来するピークの積分値を「16HD」、14BD由来の構造単位に由来するピークの積分値を「14BD」とした。
それぞれのプロトン数を考慮し、以下の式によりそれぞれの1プロトン当たりの積分値数を計算した。
(SA)=A÷4
(16HD)=E÷D×C÷2
(16HD)=(E÷D×B-16HD×2)÷4
(14BD)=(1-E÷D)×C÷2
(14BD)={(1-E÷D)×B-14BD×2}÷4
次いで、下記式を用いて、ポリカーボネートジオールの分子量M(PCD)を算出した。
なお、前記式において、M(SA)はポリカーボネートジオール中のコハク酸類由来の構造単位の分子量(=84)、M(16HD)はポリカーボネートジオール末端以外のポリカーボネートジオール中の16HD由来のカーボネート構造単位の分子量(=144)、M(14BD)はポリカーボネートジオール末端以外のポリカーボネートジオール中の14BD由来のカーボネート構造単位の分子量(=116)、M(16HD)はポリカーボネートジオール末端の16HD由来のカーボネート構造単位の分子量(=262)、M(14BD)はポリカーボネートジオール末端の14BD由来のカーボネート構造単位の分子量(=206)のことをいう。
<ポリカーボネートジオール中のコハク酸類由来の構造単位の含有割合(構造単位(2)の含有割合)>
上述した「ポリカーボネートジオール中の14BD/16HD比率」の測定で得られたH-NMR測定結果から求めた各構造単位に由来するピークの積分値と、下記式を用いて、ポリカーボネートジオール中のコハク酸類由来の構造単位の含有割合(単位:mol%)を算出した。
<ポリカーボネートジオールの水酸基価>
実施例及び比較例で得られたポリカーボネートジオールの水酸基価(単位:mgKOH/g)は、JIS K1557-1に準拠して、アセチル化試薬を用いた方法にて測定した。
<ポリウレタンの重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)>
実施例及び比較例で得られたポリウレタンについて、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC測定)を用いて、以下の手順で重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)を求めた。
ポリウレタン試料を、ポリウレタン濃度が0.07質量%になるようにジメチルアセトアミド(無水臭化リチウムを0.3質量%含有)に溶解し、これをGPC測定用試料とした。GPC装置(東ソー社製、機種名:HLC-8420、カラム:東ソー社製TSKgel SuperAWM-H×2本)を用いて、試料注入量約40μL、カラム温度40℃、測定溶媒(移動相)としてジメチルアセトアミド(無水臭化リチウムを0.3質量%含有)、流量0.6mL/minの測定条件でGPC測定を行った。
ポリウレタンの分子量は、市販の単分散ポリスチレン溶液を標準試料として用いて、標準ポリスチレン換算での数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、及び分子量分布(Mw/Mn)を測定した。
<ポリウレタンの機械的特性>
ポリウレタンの機械的特性の指標として、下記の方法を用いてポリウレタンの引張試験を行い、各種機械的特性を評価した。
実施例及び比較例で得られたポリウレタンの溶液を、クリアランスが500μmのアプリケーターを用いて、厚さ0.1mmのフッ素樹脂シート(商品名:フッ素テープ「ニトフロン900」、日東電工株式会社製)上に塗布し、温度80℃で1時間、続いて100℃で0.5時間、さらに100℃の真空状態で1.0時間乾燥して溶剤(DMF)を乾燥除去させた後、さらに23℃、55%RHの恒温恒湿下で12時間以上静置して、フッ素樹脂シートの表面にポリウレタン層が形成された積層フィルムを得た。乾燥後のポリウレタン層の厚みは90±20μmであった。
得られた積層フィルムからポリウレタン層を剥離した後、短冊状のポリウレタンフィルム(長さ150mm、幅10mm、厚さ90±20μm)を切り出し、これを引張試験用の試料片とした。
(引張試験)
上記の引張試験用試料片について、JIS K6301(2010)に準じ、卓上形精密万能試験機(株式会社島津製作所製、製品名:オートグラフAGS-X)を用いて、チャック間距離50mm、引張速度500mm/分にて、温度23℃(相対湿度60%)の条件下で引張試験を実施した。引張試験用試料片4点を用いて測定を行い、100%モジュラス及び300%モジュラス、並びに、試験片が破断した時点の応力(破断強度)の平均値及び標準偏差を測定した。
100%モジュラス及び300%モジュラス、破断強度の変動係数の算出には下記式を使用した。
変動係数(%)=(標準偏差/平均値)×100
変動係数は、前記データの相対的なばらつきを評価するための指標である。変動係数の値が小さいほど、引張試験特性の数値のばらつきが小さいため、均質なポリウレタンが得られるといえる。
<ポリウレタンの耐薬品性>
ポリウレタンの耐薬品性の指標として、下記の方法を用いて、ポリウレタンを試験溶液に浸漬したときの質量変化率を測定した。
実施例及び比較例で得られたポリウレタンの溶液を、クリアランスが500μmのアプリケーターを用いて、厚さ0.1mmのフッ素樹脂シート(商品名:フッ素テープ「ニトフロン900」、日東電工株式会社製)上に塗布し、温度80℃で1時間、続いて100℃で0.5時間、さらに100℃の真空状態で1.0時間乾燥して溶剤(DMF)を乾燥除去することにより、フッ素樹脂シートの表面にポリウレタン層が形成された積層フィルムを得た。乾燥後のポリウレタン層の厚みは90±20μmであった。
得られた積層フィルムからポリウレタン層を剥離した後、正方形状のポリウレタンフィルム(縦3cm、横3cm、厚さ90±20μm)を切り出し、これを耐薬品性試験用の試料片とした。
(耐オレイン酸性試験)
精密天秤を用いて上記の耐薬品性試験用試験片の重量を測定した後、試験溶媒としてオレイン酸50mLを入れた内径10cmφのガラス製シャーレに投入して80℃にて16時間浸漬した。試験後、試験片を取り出して表裏を紙製ワイパーで軽く拭いた後、精密天秤で質量測定を行い、試験前後の試験片の質量変化から質量変化率(増加率)を算出した。質量変化率が0%に近いほうが、耐オレイン酸性が良好であることを示す。
(耐エタノール性試験)
精密天秤を用いて上記の耐薬品性試験用試験片の重量を測定した後、試験溶媒としてエタノール50mLを入れた内径10cmφのガラス製シャーレに投入して約23℃の室温にて1時間浸漬した。試験後、試験片を取り出して表裏を紙製ワイパーで軽く拭いた後、精密天秤で質量測定を行い、試験前後の試験片の質量変化から質量変化率(増加率)を算出した。質量変化率が0%に近いほうが、耐エタノール性が良好であることを示す。
<ポリウレタンの耐加水分解性>
ポリウレタンの耐加水分解性の指標として、下記の方法を用いて、ポリウレタンを恒温恒湿環境下で保管した際の破断強度保持率を測定した。
実施例及び比較例で得られたポリウレタンの溶液を、クリアランスが500μmのアプリケーターを用いて、厚さ0.1mmのフッ素樹脂シート(商品名:フッ素テープ「ニトフロン900」、日東電工株式会社製)上に塗布し、温度80℃で1時間、続いて100℃で0.5時間、さらに100℃の真空状態で1.0時間乾燥して溶剤(DMF)を乾燥除去させた後、さらに23℃、55%RHの恒温恒湿下で12時間以上静置して、フッ素樹脂シートの表面にポリウレタン層が形成された積層フィルムを得た。乾燥後のポリウレタン層の厚みは90±20μmであった。
得られた積層フィルムからポリウレタン層を剥離した後、短冊状のポリウレタンフィルム(長さ150mm、幅10mm、厚さ90±20μm)を切り出し、これを耐加水分解性試験の試料片とした。
上記の耐加水分解性用試料片について、恒温恒湿機を用いて温度70℃、95%RHの条件下で2週間保管した。試験後、試験片を恒温恒湿機から取り出し、23℃、55%RHの環境下で48時間以上静置した。
上記の耐加水分解性試験後の試験片について、JIS K6301(2010)に準じ、卓上形精密万能試験機(株式会社島津製作所製、製品名:オートグラフAGS-X)を用いて、チャック間距離50mm、引張速度500mm/分にて、温度23℃(相対湿度60%)の条件下で引張試験を実施した。引張試験用試料片3点を用いて測定を行い、試験片が破断した時点の応力(破断強度)の平均値を測定した。
破断強度の保持率の算出には下記式を使用した。
破断強度の保持率(%)=(耐加水分解試験後の破断強度の平均値/耐加水分解試験前の破断強度の平均値)×100
耐加水分解性試験前後の破断強度の保持率が100%に近いほど、ポリウレタンの耐加水分解性が良好であることを示す。
<ポリカーボネートジオールの評価(1)>
ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)が、得られたポリカーボネートジオールの分子量と収率に及ぼす影響を調べるため、以下の実験を行った。
[比較例1]
撹拌機、留出液トラップ、及び圧力調整装置を備えた1Lガラス製セパラブルフラスコに、ジヒドロキシ化合物として16HDと14BD、カーボネート系化合物としてDPC、エステル交換反応触媒としてTBTを、表1の配合量のとおりに投入し、フラスコ内を窒素雰囲気に置換した後、フラスコ内の内容物を攪拌しながら、該内容物の温度が160℃となるまで加熱昇温して、内容物を加熱溶解した。この時のフラスコ内の圧力は101kPaであった。その後、フラスコ内の圧力を101kPaから24kPaまで2分間かけて徐々に減圧した後、生成したフェノールを反応系外へ除去しながら、90分間反応させた。次いで、フラスコ内の圧力を9.3kPaまで90分間かけて徐々に減圧した後、さらに0.7kPaまで60分間かけて徐々に減圧し、反応を続けた後、該内容物の温度を170℃となるまで昇温して、フェノール及び未反応のジヒドロキシ化合物を反応系外へ除去しながら、さらに90分反応させた。その後、該内容物の温度を室温まで放冷して、144gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例1]
比較例1において、コハク酸ジブチル7mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、148gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例2]
比較例1において、コハク酸ジブチル13mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、149gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例3]
比較例1において、コハク酸ジブチル66mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、149gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例4]
比較例1において、コハク酸ジブチル1317mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、148gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例5]
比較例1において、コハク酸33mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、149gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例6]
比較例1において、コハク酸ジナトリウム71mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、147gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例7]
比較例1において、コハク酸ジブチル3970mgを原料に追加した以外は、比較例1と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、151gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオール(PCD)について、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[比較例2]
撹拌機、留出液トラップ、充填塔、及び圧力調整装置を備えた1Lガラス製セパラブルフラスコに、ジヒドロキシ化合物として16HDと14BD、カーボネート系化合物としてDEC、エステル交換反応触媒としてTBTを、表1の配合量のとおりに投入し、フラスコ内を窒素雰囲気に置換した後、フラスコ内の内容物を攪拌しながら、該内容物の温度が130℃となるまで加熱昇温して、内容物を加熱溶解した。この時のフラスコ内の圧力は101kPaであった。その後、フラスコ内の圧力を101kPaから93kPaに減圧、留出配管の塔頂温度が75℃になるよう、フラスコ内容物の温度を130~145℃で調整して、生成したエタノールを反応系外へ除去しながら、240分間反応させた。次いで、フラスコ内容物の温度を150℃にし、フラスコ内の圧力を93kPaから1.3kPaまで210分間かけて徐々に減圧した。その後、留出配管の充填塔を外したうえで、該内容物の温度を165℃となるまで昇温し、フラスコ内の圧力を0.7kPaまで減圧した。そして、該内容物の温度を165℃から175℃へ徐々に昇温しつつ、エタノール及び未反応の炭酸ジエチルとジヒドロキシ化合物を反応系外へ除去しながら、0.7kPaで360分反応させた。その後、該内容物の温度を室温まで放冷して、134gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオールについて、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
[実施例8]
比較例2において、コハク酸ジブチル67mgを原料に追加した以外は、比較例2と同様の条件で反応を行った。反応後、該内容物の温度を室温まで放冷して、140gのポリカーボネートジオールを得た。得られたポリカーボネートジオールについて、前述の評価を行い、評価結果を表1に示した。
また、上記比較例1と実施例1~7の結果から、ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの分子量M(PCD)との関係を図1に、ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの収率との関係を図2に、ポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合と、ポリカーボネートジオールの分子量M(PCD)との関係を図3に、それぞれグラフ化した。

表1より次のことが分かる。
実施例1~7では、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得られた。
一方、比較例1は、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含まないため、実施例と比較して、得られたポリカーボネートジオールの分子量は理論分子量より高く、ポリカーボネートジオールの収率が低かった。
また、実施例8と比較例2から、DPCだけでなくDECで合成したポリカーボネートジオールでも、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含むことで、実施例8は比較例2に比べて、得られたポリカーボネートジオールの分子量は理論分子量に近く、ポリカーボネートジオールの収率が高かった。
また、図1より、実施例と比較例の対比から、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含むことにより、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))は理論分子量に近づくことが確認された。特に、ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)の含有割合が、0.005質量%以上1.500質量%以下の範囲では、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))は理論分子量に近いことが分かる。
図2より、実施例と比較例の対比から、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含むことにより、ポリカーボネートジオールの収率が向上することが確認された。
図3より、得られたポリカーボネートジオールが構造単位(2)を含むことにより、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))は理論分子量に近づくことが確認された。特に、ポリカーボネートジオール中の構造単位(2)の含有割合が、0.001mol%以上0.900mol%以下の範囲では、ポリカーボネートジオールの分子量(M(PCD))は理論分子量に近いことが分かる。
<ポリカーボネートジオールの評価(2)>
ジヒドロキシ化合物含有組成物中の化合物(2-1)が、薄膜蒸留後に得られたポリカーボネートジオールの分子量に及ぼす影響を調べるため、以下の実験を行った。
ポリカーボネートジオールについて、薄膜蒸留後の分子量を調べることで、薄膜蒸留による、モノマーなどの低分子量成分の除去がPCD分子量に及ぼす影響を把握することができる。低分子量成分が多いポリカーボネートジオールは分子量が見かけのうえで理論分子量に近づくので、低分子量成分を除去した条件でPCDの分子量を確認した。
[比較例3-1]
撹拌機、留出液トラップ、及び圧力調整装置を備えた1Lガラス製セパラブルフラスコに、ジヒドロキシ化合物として16HDと14BD、カーボネート系化合物としてDPC、エステル交換反応触媒としてTBTを、表2の配合量のとおりに投入し、フラスコ内を窒素雰囲気に置換した後、フラスコ内の内容物を攪拌しながら、該内容物の温度が160℃となるまで加熱昇温して、内容物を加熱溶解した。この時のフラスコ内の圧力は101kPaであった。その後、フラスコ内の圧力を101kPaから24kPaまで2分間かけて徐々に減圧した後、生成したフェノールを反応系外へ除去しながら、90分間反応させた。次いで、フラスコ内の圧力を9.3kPaまで90分間かけて徐々に減圧した後、さらに0.7kPaまで60分間かけて徐々に減圧し、反応を続けた後、該内容物の温度を170℃となるまで昇温して、フェノール及び未反応のジヒドロキシ化合物を反応系外へ除去しながら、さらに90分反応させた。その後、該内容物の温度を120℃まで放冷し、大気圧まで圧力を上げて、ポリカーボネートジオールを得た。
得られたポリカーボネートジオールは、含まれるTBT触媒を失活させるため、0.85質量%リン酸水溶液を表2の記載量のとおりに加えて、120℃で1時間攪拌した。そして、20g/分の流量で薄膜蒸留装置に送液し、薄膜蒸留(温度:180~190℃、圧力:40~67Pa)を行った。薄膜蒸留装置としては、直径50mm、高さ200mm、面積0.0314mの内部コンデンサー、ジャケット付きの柴田科学株式会社製、分子蒸留装置MS-300特型を使用した。得られたポリカーボネートジオールを「PCD1」とした。また、PCD1の評価結果を表2に示した。
[実施例9-1]
比較例3-1において、コハク酸ジブチル23mgを原料に追加した以外は、比較例3-1と同様の条件で反応を行った。得られたポリカーボネートジオールを「PCD2」とした。また、PCD2の評価結果を表2に示した。
[実施例10-1]
比較例3-1において、コハク酸ジブチル115mgを原料に追加した以外は、比較例3-1と同様の条件で反応を行った。得られたポリカーボネートジオールを「PCD3」とした。また、PCD3の評価結果を表2に示した。
[実施例11-1]
比較例3-1において、コハク酸ジブチル2298mgを原料に追加した以外は、比較例3-1と同様の条件で反応を行った。得られたポリカーボネートジオールを「PCD4」とした。また、PCD4の評価結果を表2に示した。
[実施例12-1]
比較例3-1において、コハク酸ジブチル6915mgを原料に追加した以外は、比較例3-1と同様の条件で反応を行った。得られたポリカーボネートジオールを「PCD5」とした。また、PCD5の評価結果を表2に示した。

表2より次のことが分かる。
実施例9-1~12-1では、理論分子量に近い分子量をもつポリカーボネートジオールを、高い収率で得られた。
一方、比較例3-1では、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含まないため、得られたポリカーボネートジオールの分子量は、実施例と比較すると、理論分子量より大きかった。
薄膜蒸留によって低分子量成分が除去された後のポリカーボネートジオールにおいても、ジヒドロキシ化合物含有組成物が化合物(2-1)を含むことにより、得られたポリカーボネートジオールの分子量が理論分子量に近い値となることが確認された。
<ポリウレタンの評価>
ポリカーボネートジオール中の構造単位(2)が、得られたポリウレタンの性能に及ぼす影響を調べるため、以下の実験を行った。
[比較例3-2]
比較例3-1で得られたPCD1を用いて、以下の手順でポリウレタンを合成し、評価した。
熱電対と冷却管を設置したセパラブルフラスコに、あらかじめ80℃に加温したPCD1を77.8g、鎖延長剤として14BDを4.72g、触媒としてU-830を0.02g、反応溶媒としてDMFを239g入れ、55℃に設定したオイルバスに漬け、攪拌速度60rpmで均一になるまで攪拌混合した。
フラスコの反応溶液の水分量を測定し、水分で消費されるMDIの量を計算した。またサンプリングして抜き出した量も記録し、各原料の仕込み量を補正した。
前記反応溶液に、イソシアネート化合物として、NCO/OHモル比=0.900相当(水分補正込み)のMDIを、漏斗を用いて固体の状態で添加し、攪拌速度60rpmで均一になるまで攪拌混合した。
本明細書において、前記「NCO/OHモル比」とは、MDI添加時のポリカーボネートジオール及び14BDの物質量総量(モル数)から含有水分物質量総量(モル数)を減じた値に対する、MDIの物質量総量(モル数)の割合(モル比)のことをいう。
MDI添加直後から反応溶液温度の+10~15℃の上昇を伴う発熱ピークが確認され、該発熱ピークが収まってから5分後にオイルバスの温度を70℃に設定し、昇温した。
MDIを添加してから1時間後に反応溶液中のポリウレタンの分子量を測定し、目標の分子量に到達しているか確認した。目標に到達していない場合は、NCO/OHモル比=0.005~0.015相当のMDIを追添加し、さらに30分間以上反応させてから、反応溶液中のポリウレタンの分子量を測定した。目標のMwに到達するまでMDIの追添加と分子量測定を繰り返した。最終的にMw=147163のポリウレタンを含むポリウレタン溶液を得た。得られたポリウレタンについて、評価結果を表3に示した。
[実施例9-2~12-2]
比較例3-2において、PCD1の代わりに、実施例9-1~12-1の夫々で得られたPCD2、PCD3、PCD4及びPCD5を用い、且つ、各原料の仕込み量をそれぞれ表3に記載の仕込み量に変更した以外は、比較例3-2と同様の条件と方法でポリウレタンの重合を行ない、ポリウレタン溶液を得た。得られたポリウレタンについて、評価結果を表3に示した。
表3の機械的特性試験の評価結果について、破断強度、100%モジュラス及び300%モジュラスの結果を、夫々図4~6に示した。
さらに、表3の機械的特性試験の変動係数の評価結果について、破断強度、100%モジュラス及び300%モジュラスの変動係数を、夫々図7~9に示した。
また、表3の耐薬品性試験の評価結果について、耐オレイン酸性の結果を図10に、耐エタノール性の試験結果を図11に示した。
表3及び図4~11より次のことが分かる。
実施例9-2~12-2で得られたポリウレタンは、比較例3-2で得られたポリウレタンと比較して、破断強度、100%モジュラス及び300%モジュラスの値に優れていた。さらに、PCD中の構造単位(2)の含有割合が0.001~0.35mol%の辺りで、前記機械的特性が特に優れていた。
また、実施例9-2~12-2で得られたポリウレタンは、比較例3-2で得られたポリウレタンと比較して、いずれの機械的特性においても変動係数(ばらつき)が小さかった。さらに、PCD中の構造単位(2)の含有割合が0.001~0.35mol%の辺りで特に変動係数(ばらつき)が小さかった。
また、実施例9-2~12-2で得られたポリウレタンは、比較例3-2で得られたポリウレタンと比較して、耐薬品性が優れていた。さらに、PCD中の構造単位(2)の含有割合が0.001~0.02mol%の辺りで耐薬品性に特に優れていた。
一方、比較例3-2で得られたポリウレタンは、原料に用いたポリカーボネートジオールが、ポリカーボネートジオール構造中に前記コハク酸に由来する構造単位を含有しないため、機械的特性と耐薬品性に劣り、機械的特性の変動係数(ばらつき)が大きかった。
以上より、本発明のポリカーボネートジオールによれば、機械的特性と耐薬品性に優れ、かつ該機械的特性のばらつきが抑制されたポリウレタンを得ることができることが分かる。
さらに、表3の耐加水分解性試験の評価結果について、破断強度保持率の結果を図12に示した。表3及び図12より、実施例9-2~11-2で得られたポリウレタンは、比較例3-2で得られたポリウレタンと比較して、耐加水分解性に優れていた。
即ち、本発明のポリカーボネートジオールによれば、機械的特性と耐薬品性に優れ、かつ該機械的特性のばらつきが抑制されたポリウレタンを得ることができるだけではなく、さらにコハク酸に由来する構造単位の含有割合を特定範囲とすることで、得られたポリウレタンの耐加水分解性もより優れたものにできることが分かる。

Claims (20)

  1. 下記一般式(I)で表される構造単位(1)と下記一般式(II)で表される構造単位(2)を含むポリカーボネートジオールであって、
    前記ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合が、該ポリカーボネートジオールの全構造単位100mol%に対して、0.0005mol%以上4.3mol%以下であるポリカーボネートジオール。
    (上記一般式(I)中、nは、4~6の整数である。)
    (上記一般式(II)中、mは、2~4の整数である。)
  2. 前記ポリカーボネートジオール中の前記構造単位(2)の含有割合が、該ポリカーボネートジオールの全構造単位100mol%に対して、3.0mol%以下である、請求項1に記載のポリカーボネートジオール。
  3. 前記一般式(I)で表される構造単位(1)が、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物に由来する構造単位を含む、請求項1に記載のポリカーボネートジオール。
  4. 前記一般式(I)で表される構造単位(1)が、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物単独物、又は、バイオマス由来のジヒドロキシ化合物及び化石燃料由来のジヒドロキシ化合物を含む混合物に由来する、請求項1に記載のポリカーボネートジオール。
  5. 前記バイオマス由来のジヒドロキシ化合物が、非可食性バイオマス及び/又は非化石燃料に由来する化合物である、請求項3に記載のポリカーボネートジオール。
  6. 前記ポリカーボネートジオールの数平均分子量(Mn)が250以上5000以下である、請求項1に記載のポリカーボネートジオール。
  7. 下記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含有するジヒドロキシ化合物含有組成物と、カーボネート系化合物とを、触媒存在下でエステル交換反応させて、ポリカーボネートジオールを得ることを含む、ポリカーボネートジオールの製造方法であって、
    前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、0.003質量%以上5.3質量%以下である、ポリカーボネートジオールの製造方法。
    (上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
    (上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
  8. 前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基である、請求項7に記載のポリカーボネートジオールの製造方法。
  9. 前記触媒が、チタン原子を含む触媒で、前記触媒の量が、前記ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量に対して、チタン原子換算で50質量ppm以下である、請求項7に記載のポリカーボネートジオールの製造方法。
  10. 請求項1~6のいずれか一項に記載のポリカーボネートジオールと、イソシアネート系化合物とを原料とする、ポリウレタン。
  11. 活性エネルギー線硬化性重合体組成物、人工皮革、合成皮革、塗料、コーティング剤、弾性繊維、粘着剤、及び接着剤からなる群より選ばれるいずれかに用いられる、請求項10に記載のポリウレタン。
  12. 下記一般式(I-1)で表される化合物(1-1)及び下記一般式(II-1)で表される化合物(2-1)を含むジヒドロキシ化合物含有組成物であって、
    前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(2-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、0.003質量%以上5.3質量%以下である、ジヒドロキシ化合物含有組成物。
    (上記一般式(I-1)中、nは、4~6の整数である。)
    (上記一般式(II-1)中、mは、2~4の整数である。Rは、水素原子、ヘテロ原子、又は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基のいずれかを示す。式(II-1)中の2つのRは互いに同一であっても異なるものであってもよい。)
  13. 前記ジヒドロキシ化合物含有組成物中の前記化合物(1-1)の含有割合が、該ジヒドロキシ化合物含有組成物の総質量100%に対して、40.0質量%以上である、請求項12に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  14. 前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数2~20のアルキル基である、請求項12に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  15. 前記化合物(1-1)が、1,4-ブタンジオールを含む、請求項12に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  16. 前記化合物(2-1)において、Rの少なくとも一方は、ヘテロ原子若しくは置換基を有していてもよい、炭素数4のアルキル基である、請求項14に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  17. 前記化合物(I-1)が、バイオマス由来のジオールを含む、請求項12に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  18. ポリカーボネートジオールを製造する工程で用いられる、請求項12に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物。
  19. 請求項12~18のいずれか一項に記載のジヒドロキシ化合物含有組成物とカーボネート系化合物を原料とする、ポリカーボネートジオール。
  20. 請求項19に記載のポリカーボネートジオールとイソシアネート系化合物を原料とする、ポリウレタン。
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