JPH08176162A - 改良されたシロキサンクラッキング法 - Google Patents
改良されたシロキサンクラッキング法Info
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Abstract
るための、改良されたクラッキング法に関する。 【構成】 本発明により、効果量の高沸点アルコールを
液体シロキサン加水分解物に添加することによる、改良
されたシロキサンクラッキング法が提供される。
Description
に関する。詳細には、シリコーン加水分解物のクラッキ
ング反応により環状シロキサンを製造するための、高沸
点アルコールの使用に関する。
基本的方法を使用して工業規模で調製されている。その
一つは縮合法であり、シラノール末端シロキサンのモノ
マー又はオリゴマーの頭−尾縮合を促進する。もう一つ
は平衡法であり、シロキサン結合の接触転位を行なって
平衡混合物を形成する。「平衡」なる用語は、直鎖状オ
ルガノシロキサンポリマー対環状オルガノシロキサンオ
リゴマーの比が一定の値に保たれる時に存在する現象を
記述するために使用される。平衡過程中、平衡点に達す
るまではシロキサン結合の恒常的な分解と形成が生じて
いる。この大規模なシロキサン結合の分解と形成は連鎖
停止剤の使用を可能にし、その反応によりポリシロキサ
ン分子の末端に連鎖延長を阻む末端基を形成する。
を生成するためには、三官能性単位は極めて少量でなけ
ればならず、しばしば 10ppm未満でなければならない。
三官能性含有量の低いシロキサンの生産は、「クラッキ
ング」として知られる方法によらなければ極めて困難で
経費も掛かる。クラッキング法では、100ppmを超える三
官能性を含有するシロキサン混合物を、真空下で 135℃
よりも高温でKOHに接触させて、シロキサン塊を環状
シロキサンに戻し、これを反応系から蒸留して取り出
す。シロキサンは、通常、直鎖種と環状種とを含有する
シリコーン油の加水分解物であり、これは反応器に連続
的に供給されて、環状シロキサンとして反応器の頂上か
ら取り出される。三官能性単位はKOHと反応して「カ
リウムT塩」を形成し、この塩は不揮発性なので環状シ
ロキサンと一緒に蒸留されないことは広く知られてい
る。このようにしてシロキサンから三官能性が除去さ
れ、クラッキング法によって生成された環状体から低三
官能性ポリマーが製造され得る。しかし、三官能性単位
の若干は反応器内のシロキサン加水分解物の中に残存し
ており、この三官能性の濃度は、クラッキング過程中に
時間と共に増大し続ける。三官能性が蓄積すると、反応
器内のシロキサン加水分解物の粘度が実質的に増大す
る。この溶液は、高い粘度のために反応が終結を余儀な
くされるまで濃くなり続ける。反応器に供給されるシロ
キサン材料の三官能性が多いほど、高粘度への到達が早
まり、ランの長さが短くなる。加えて、ランの期間に粘
度が増大するので、環状体の「取り出し」速度が減少
し、ランの過程で30%あるいはそれ以上の減少もしばし
ばである。ランの終結時に、反応器内の塊は、多量の三
官能性を含有するので、この塊はゲル化し又は架橋す
る。反応器は、多量の固いゲル塊を除去するために、頻
繁に作業停止されなければならない。このゲルには有用
な用途がないので、大概は有害廃棄物質の埋立地に廃棄
せざるを得ない。
1,973号は、ジオルガノポリシロキサンのクラッキング
反応に於て、クラッキング触媒に加えて安定化添加物と
して効果量の高級脂肪族アルコールを使用することによ
って、フルオロアルキルシクロトリシロキサンの収量及
び純度を高める、改良された方法を教示している。この
特許は、特にシクロトリシロキサンの製法を指向してい
る。フルオロアルキルシロキサンは、クラッキング反応
器内で極めて低い粘度を有するので、反応器内のシロキ
サン加水分解物は、ランの過程でゲル化しない。アルコ
ールは、シリコーン加水分解物の粘度を低下させるため
というよりは寧ろ、触媒を活性化させるために添加され
る。
号は、シクロポリジオルガノシロキサン生成物の調製法
を提供しており、この方法は、別のシクロポリジオルガ
ノシロキサン類又はそれらの混合物の、蒸気相での転位
による。蒸気相での平衡は、ゲルの形成を実質的に消滅
させる。Fletcherに発行された米国特許第 2,860,152号
は、出発シロキサンとは異なった組成を有する環状ジオ
ルガノシロキサンを生成する方法を教示しており、この
方法は、出発ジオルガノシロキサンと、シロキサン重量
を基準として少なくとも20重量%の、 250℃よりも高温
で沸騰する不活性溶媒との混合物を、アルカリ性触媒の
存在下で、溶媒の蒸留をもたらすに至らない温度及び圧
力の条件下で、反応帯域から所望の環状ジオルガノシロ
キサンを同時に取り出しながら、加熱する段階を含んで
いる。不活性溶媒は、反応器のポリマー/環状体の平衡
を、環状体方向に移動させる。反応器内に環状体が増え
るほど、反応塊はゲル化しにくくなる。Fletcherは、ゲ
ル化を遅らせるために、少なくとも20%の溶媒を要求す
る。しかし、過大量の溶媒が系内に投入されると反応は
緩慢化する。更に、反応塊がランの終結時にゲル化する
と、ゲルからシロキサン/溶媒を分離することができな
いので、反応内容物を全て放棄しなければならない。こ
のように、Fletcherは、ゲル化の課題を完全には解決し
ていない。
は、三官能性単位を多量に含有するシロキサン加水分解
物が、ゲルを形成せずに液相で連続的にクラッキングさ
れ得るような方法について、如何なる示唆も証明も存在
しない。そのため、年来、商業規模の量で、可及的最低
限の経費で、環状シロキサンの製法の効率を高めること
が必要とされている。
グ反応から環状シロキサンを形成する際に、収量及び生
成速度を最大限に高める必要性もある。更に、重大な生
態学的問題を抱える現代社会では、クラッキング法で生
成した、環境に悪影響を与える方式で廃棄されなければ
ならない望ましからぬゲルを消去することが必要であ
る。
本発明により、効果量の高沸点アルコールを液体シロキ
サン加水分解物に添加することによる、改良されたシロ
キサンクラッキング法が提供される。高沸点アルコール
は、平衡反応器の内容物を液状に保ち、且つ、連鎖停止
剤として役立つばかりでなく、反応器のポリマー/環状
体の平衡を環状体側に移動させる溶媒としても役立つ。
高沸点アルコールの使用により、極めて効率の良い方式
で三官能性種が除去され、また、ゲルの形成が完全に消
滅する。残留物内のシロキサン及びアルコールは回収さ
れて再使用され得る。本発明の詳説 本発明は、下式の環状シロキサンを生成する効率的な方
法を提供する。
ール基、及び、アルカリール基から成る群から選択され
る。xは3〜7から選択される整数である。本発明で使
用される出発物質は、直鎖状及び環状のジオルガノシロ
キサンポリマーを含有するシロキサン混合物である。こ
のようなシロキサン混合物は、メチルトリクロロシラン
を100ppmを超えて含有するジメチルジクロロシランの水
性加水分解によって生成する。加水分解過程で生じたH
Clは、シリコーン加水分解物から除去されて、別途再
利用される。
グ触媒、好適にはアルカリ金属化合物、更に好適には、
水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化セシウ
ム、の存在下で実施される。最適な触媒はKOHであ
る。本発明の主要な特徴は、ゲル化を防ぎ、且つ、ラン
の全期間に亙って環状体の生成速度を高くに保つため
に、効果量の高沸点アルコールを添加することである。
この高沸点アルコールが反応器内にとどまり、環状シロ
キサンと一緒に蒸留されてしまわないようにして、これ
により一面では環状シロキサンを汚染せず、他面では、
反応内容物を流動性に保つために反応器内に存在し続け
るように、好適な高沸点アルコールは、沸点が 300℃を
超えるものとする。炭素原子の総合含有量が、炭素数12
〜30の近辺の値であれば、殆どのアルコールが本発明で
効果的である。最適なアルコールはステアリルアルコー
ルであり、その沸点は約 350℃である。沸点が 250℃程
にも低いアルコールも使用できるが、分別機器が要求さ
れるので、クラッキング設備への投資額が増大するであ
ろう。
シロキサン加水分解物内の三官能性単位の量に概ね応じ
て変化する。シリコーン加水分解物内の三官能性単位の
量が少ないほど、少ない量のアルコールが要求される。
シリコーン加水分解物の3重量%未満であれば、アルコ
ールは主として連鎖停止剤として作用する。シリコーン
加水分解物の3重量%よりも多ければ、アルコールは連
鎖停止剤となると同時に、多量の三官能性(二官能性内
に 1000ppmを超える三官能性)濃度水準を許容するため
の加工助剤となる。好適なアルコール濃度は、シリコー
ン加水分解物の凡そ3〜30重量%である。アルコール量
は、更に好適には、シリコーン加水分解物の6〜25重量
%であり、最適には10〜18重量%である。
にも適している。バッチ操作では、アルコール、シロキ
サン及び触媒が反応器に投入され、然る後に、所望の環
状シロキサンが反応器から蒸留されるのに必要な温度及
び圧力下で、加熱される。これらの諸条件は、環状シロ
キサンが全て取り出されるまで保持される。或いはその
代わりに、反応は連続的にも実施され得る。空の反応器
に、まずステアリルアルコールを投入する。次に、反応
器を密封して、KOHの45%溶液とシロキサン加水分解
物との混合物を連続的に反応器に供給する。KOH溶液
は、加水分解物を投入した後に加えても良いし、加水分
解物と同時に供給しても良い。KOHが、シロキサン構
造MeSiO3/2 と反応してカリウムT塩を生成するこ
とは広く知られている。この「塩」は塩基性であるが、
クラッキング反応に関してはKOHほど強くないので、
ランの過程においてカリウムT塩が生ずるにつれて、K
OHはMeSiO3/2 に拘束されていく。ラン過程のK
OH量を一定に保つには、ランの全期間に亙ってKOH
溶液を連続して加えると好適である。加水分解物内の三
官能性含有量が高いほど、多量のKOHが要求される。
取り出し速度が低下したら、KOHの添加速度を速めな
ければならない。
性を含有するシリコーン加水分解物は、反応器内でゲル
化する可能性がある。これは、反応器内で生ずる最初の
反応が、加水分解物の直鎖部分の高重合体への縮合反応
であるからである。加えて、シラノール末端直鎖体はK
OHと「会合」ポリマーを形成することがあり、これも
また反応器内の粘度を増大させる。これらの反応は60〜
90℃にて生起する。これらの温度では、KOHは平衡触
媒として作用せずに、極めて効果的な縮合触媒となる。
それ故に、反応器内の温度をできるだけ速やかに 130℃
に上昇させる方が良い。反応器の温度が 130℃に到達し
たらKOHは平衡触媒として作用し始める。これが起こ
れば、KOHは、連鎖停止剤となるようにアルコールを
平衡化させて、ポリマーの分子量を低下させる。ゲル
は、平衡化が開始したら分解し始める。
種と環状種との混合物の平衡が所望の環状種の形成に有
利なように変化するよう、制御される。クラッキング反
応に関する好適な条件は、 140℃を超える温度、及び、
40mmHg以下の低圧である。更に好適な条件は、凡そ 140
〜 165℃の範囲の温度及び凡そ10〜40mmHgの範囲の圧力
である。
環状シロキサンは、蒸留法等の既知のあらゆる手法で分
離され得る。環状シロキサンを、形成と同時に留去する
ことによって、シリコーン加水分解物からの環状シロキ
サンの収量が最大となる。系内に高沸点アルコールを添
加することによってゲル化が完全に消滅し得るので、反
応時間は実質的に延長される。ランの長さは、カリウム
T塩の蓄積量に応じて変化する。一般には、反応は、カ
リウムT塩が反応器内の全内容物の凡そ30〜40%になっ
た時に終結される。反応操作の折り返しを開始するに
は、供給を遮断して、取り出し速度が実用上過度に遅く
なるまで、反応器を「煮詰める」。この過程の結果、反
応器内のアルコール量は2倍以上に増大する。クラッキ
ング装置は、煮詰めた後、約90℃に冷却される。この手
順により、反応器内の内容量が減少し、水洗のための空
間が残される。
ぐために、多量の水が添加される。反応器内の反応残留
物と等容積の水を加えると、かなりの発熱を示しなが
ら、最終的な温度は凡そ68〜75℃となる。少量の水が添
加されただけでは、反応残留物は単一相となる。更に水
を加えると、反応器の内容物は容易に二相に分離する。
シロキサン/アルコール層と水層とを充分に分離するた
めには、反応器内のシロキサン/アルコールの1容積あ
たり少なくとも1容積の水を添加することが肝要であ
る。
内容物を若干の時間、放置して鎮静化する。底の水相
は、未反応のKOHとT塩とが存在するので極めて高密
度を有し、比重は多くの場合1.24〜1.30である。「有機
層」は、連続的な単一の相ではない。この層は、一般に
は、水性「母液」に懸濁した微細なシロキサン/アルコ
ール微「粒子」から成る。有機層は「水」をも含有する
が、恐らくはたかだか25〜50%であり、依然として有機
層は底の水層から容易に分離する。全過程を通じ、反応
内容物の温度を、ステアリルアルコールの融点、即ち56
℃よりも高くに保持しておく方が良い。
儀なくされる時に、残留物内のゲルとシロキサンとを分
離する効果的な方法がない。残留物内のシロキサンは、
放棄しなければならない。本発明は、ステアリルアルコ
ールと残留シロキサン加水分解物とを含有する「有機
層」を、当業界で公知のあらゆる方法で、水層から分離
することができる。「有機層」内のシロキサンおよびア
ルコールの両者とも、一回より多いランに再循環するこ
とができる。
ば、ラン期間の終結時の残留物は、反応器から除去して
反応器の内壁を清浄化するのが困難な固いゲルとなるで
あろう。本発明の方法は、クラッキング過程中のゲル化
を完全に消滅させる。各ランの終結時の残留物は、極め
て液状の有機相である。反応器の内壁は清浄で、そこに
付着するゲルは存在しない。液状残留物を除去した後、
反応器は、次回のランに直ちに使用できる。折り返し時
間は実質的に短縮され、経費も実質的に減少する。
がないので埋め立てなければならない。大規模な商業的
実施の場では、ゲル埋立の経費が消滅することにより数
10万ドルの節減になる。更に重要なのは、本発明は、望
ましくない有害廃棄物を消滅させ、環境保護上の大きな
改善をもたらす。従来法では、反応内容物の粘度が増大
すると、生成環状シロキサンの取り出し速度は低下す
る。クラッキング過程に於て高沸点アルコールを添加す
ることにより、この取り出し速度はランの過程で低下す
ることがない。ランの長さは、系内の三官能性の量に応
じて、実質的に数週間又は数か月間に延長される。こう
して、生成環状シロキサンの全体的収量が実質的に増大
する。但し、生産性は、シリコーン加水分解物内のトリ
オルガノシロキサンの量や、トリオルガノシロキサンの
モル数対クラッキング触媒のモル数の比、反応器内のア
ルコール量等々の種々の因子に応じて変化する。
ールは、ステアリルアルコールに限定されるのではな
く、充分に高い沸点を有し、高温及び高いKOH量を含
めた反応条件下で安定な物質であれば、如何なるアルコ
ール又はアミンをも含み得る点を理解されたい。2種以
上の適当なアルコールを含む混合物も使用できる。適切
な高沸点アルコールは、以下の通りであるが、これらに
限定されるのではない。
め以下に実施例を掲げるが、限定のためではない。粘度
は全て25℃にて測定された。特に記載のない限り、部は
全て重量による。
引管、7〜8枚の理論棚板を有する精留塔、及び、凝集
器/収集容器を取り付けて、反応器を組み立てた。不純
物としてメチルトリクロロシラン 1500ppmを含有するジ
メチルジクロロシランを加水分解することによって製造
されたシリコーン加水分解物 100部を、水酸化カリウム
の45%水溶液5部と共に反応器に投入した。反応器を徐
々に加熱して 150℃とし、真空吸引して30torrに保持し
た。反応器を加熱すると、少量の環状シロキサンを含む
水の第一留分が収集された。この混合物を収集した。こ
の量の環状シロキサンは回収された。水は廃棄した。 1
50℃及び30torrの操作条件下で、環状シロキサンは反応
器内でのクラッキングを経て受け器に収集された。収集
速度は1時間あたり30部であった。受け器に25部が収集
された後、真空下で反応器に新たな加水分解物を1時間
あたり30部の速度で追加した。これにより、反応期間
中、反応器の内容物の容積は一定に保たれた。このラン
中に、蒸留により取り出される環状シロキサン 100部あ
たりKOH水溶液 0.2部の速度で、KOH水溶液を追加
した。
低く、5000cps 未満と推定された。反応器に加水分解物
が供給されて、生成物が反応器から取り出されるにつれ
て、反応塊の粘度は高まり始めた。生成物 300部が収集
された後は、反応器の内容物の粘度が極めて高くなった
ので、大きな気泡が生じて発泡した。生成物の収集を1
時間あたり30部に保つために、攪拌機の速度を速めた。
バッチが進行するにつれて、粘度は高まり続けた。発泡
問題が悪化し、気泡は更に大きくなって、ランの後期2
/3の期間は全般に取り出し速度が低下を余儀なくされ
た。ランの終結時近くでは、取り出し速度は1時間あた
り約15部であった。取り出し速度が低下するにつれて、
反応器に供給される加水分解物の量及びKOHの45%水
溶液の量は、呼応して減少された。生成物4800部が収集
された後、反応器内の粘度は極めて高くなったので、攪
拌機が殆ど停滞した。加水分解物及びKOHの添加を中
止し、反応器を煮詰めて、できるだけ多くの生成物を回
収した。反応器の内容物はゲル化しており、本工程は終
了を余儀なくされた。水はゲル化した塊を小径〜中径の
塊に破壊し得るので、反応器が95℃に冷却した時に、ゲ
ルを除去しやすくするために反応器に水を加えた。反応
器の内壁はゲルで厚く覆われており、次回のバッチの間
の表面の伝熱効果を高めるために、強硬に除去しなけれ
ばならなかった。収集され廃棄されたゲルの量は25部で
あった。
と同一の加水分解物 100部と、KOHの45%水溶液5部
とを投入した。加えて、反応器にステアリルアルコール
15部をも添加した。工程を開始し、取り出しを1時間あ
たり30部として、実施例1と正確に同様にランを実施し
た。バッチの粘度が著しく増大することはなかった。取
り出し速度を、ランの全期間に亙って30部/時間に保持
することができた。生成物の取り出し総合量は 13300部
であった。ランの終結時、粘度は依然として低く、ゲル
は見られなかった。反応器を煮詰めると、反応器内には
反応内容物60部が残った。反応器を90℃に冷却した。水
80部を反応器に加えて、撹拌した。攪拌機を停止する
と、反応器の内容物は二相に分離した。底の水相の比重
は1.20であり、これは、カリウムTシラノレートと未反
応のKOHとを含んだ可溶性塩であることを意味してい
た。水層を廃棄し、反応器に更に50部の水を追加して、
撹拌した。完全に分離した後、第二の水層を廃棄した。
であった。ゲルは形成せず、廃棄さるべきシロキサンは
存在しなかった。加えて、反応器の内壁は清浄であり、
直ちに次回のランに使用することができた。次回のラン
を始めるために、同上の加水分解物50部と、KOHの45
%水溶液5部とを、第1回のランから得た反応器残留物
に加えた。KOHの45%水溶液は、1時間あたり 0.2部
で添加された。ランの全期間を通じて粘度は低いままで
あり、生成物として 10000部が収集されるまで、取り出
しは1時間あたり30部に保持された。反応器を50部にま
で煮詰めて、内容物を前回と正確に同じく2回水洗し
た。ここでも、反応器内にゲルは見られず、廃棄する必
要のあるシロキサンは存在しなかった。反応器の内壁に
はゲルは存在しなかった。
り出しの全手順を3回目に実施したが、著しい粘度増大
はなかった。この回のランは、生成物10,000部が収集さ
れるまで継続された。このバッチを前回と正確に同じく
水洗した。残留物中にゲルは存在せず、シロキサンは廃
棄されなかった。 実施例1 実施例2(1回目) 実施例2(2回目) 供 給 物(部) 油 分 100 100 50+Ex.2(1回目) からの 残留シロキサン加水分解物 45%KOH 5 5 5 ステアリルアルコール 0 15 15 生 成 物(部) 環状シロキサン 4,800 13,000 10,000 ラン時間(日) 7 13.3 10.2 残留物特性 固いゲル ゲルなし ゲルなし 粘度<10,000cps 粘度<10,000cps 平均取り出し 1.0 1.3 1.3 平均収率(%) 99 100 100 生産可能時間 85% 90% 88% [生産/(生産+折り返し)] 全体の相対効率 1.0 1.5 1.4 上述の詳説に照らし合わせれば、当業者には本発明の多
くの変化形態がおのずと明らかになろう。そのような明
白な改変点は全て、冒頭の請求項の全意図範囲内にあ
る。
Claims (14)
- 【請求項1】 環状シロキサンを製造するための方法で
あって、 (a) 三官能性単位を含有するシロキサン加水分解物を、
触媒量の触媒と混合する段階と、 (b) 前記段階(a) の混合物に、効果量の高沸点アルコー
ルを添加する段階と、 (c) 環状シロキサンの形成に有利なように反応条件を制
御する段階と、 (d) 環状シロキサンを同時に回収する段階と、を含む方
法。 - 【請求項2】 クラッキング触媒がアルカリ金属化合物
である、請求項1の方法。 - 【請求項3】 アルカリ金属化合物が、水酸化ナトリウ
ム、水酸化カリウム、水酸化セシウム及びこれらの混合
物から成る群から選択される、請求項2の方法。 - 【請求項4】 アルコールの沸点が 250℃よりも高い、
請求項1の方法。 - 【請求項5】 アルコールの沸点が 300℃よりも高い、
請求項4の方法。 - 【請求項6】 アルコールが、直鎖状脂肪族のアルコー
ル及びアミン、分岐状脂肪族アルコール、アリールアル
キルアルコール及びこれらの混合物から成る群から選択
される、請求項1の方法。 - 【請求項7】 アルコールがステアリルアルコールであ
る、請求項6の方法。 - 【請求項8】 ステアリルアルコールが少なくとも3%
の濃度でシリコーン加水分解物に添加される、請求項7
の方法。 - 【請求項9】 ステアリルアルコールが10%の濃度でシ
リコーン加水分解物に添加される、請求項8の方法。 - 【請求項10】 ステアリルアルコールが18%の濃度で
シリコーン加水分解物に添加される、請求項9の方法。 - 【請求項11】 前記段階(c) が反応混合物を10〜40mm
Hgの真空下で 140〜165℃に加熱する段階を更に含む、
請求項1の方法。 - 【請求項12】 生成環状シロキサンが蒸留により回収
される、請求項1の方法。 - 【請求項13】 (e) 反応混合物に充分な量の水を添加
する段階と、 (f) 反応混合物中のシロキサン及びアルコールを回収す
る段階と、を更に含む請求項1の方法。 - 【請求項14】 添加される水の容積が、反応混合物中
のシロキサン及びアルコールの容積と少なくとも等し
い、請求項13の方法。
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