JPH11228603A - ラマン分光法のオンライン適用による部分水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム(hnbr)の製造方法 - Google Patents
ラマン分光法のオンライン適用による部分水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム(hnbr)の製造方法Info
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- JPH11228603A JPH11228603A JP10244370A JP24437098A JPH11228603A JP H11228603 A JPH11228603 A JP H11228603A JP 10244370 A JP10244370 A JP 10244370A JP 24437098 A JP24437098 A JP 24437098A JP H11228603 A JPH11228603 A JP H11228603A
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Abstract
BRの必要な水素化の程度の調節を可能にする新規な方
法を見いだすこと。 【解決手段】 均一触媒又は不均一触媒によるアクリロ
ニトリル−ブタジエンゴム(NBR)の水素化によって
加圧された反応器で部分水素化アクリロニトリル−ブタ
ジエンゴム(HNBR)を製造する方法であって、反応
器内容物を水素化の開始前に不活性にし、反応器内容物
のラマンスペクトルを短い時間間隔で記録し、生成物の
実際の水素化の程度をラマン放出線の強度から決定し、
必要な水素化の程度が達成されると、適当な手段により
反応を停止させることを特徴とする方法。
Description
用により均一触媒又は不均一触媒によるアクリロニトリ
ル−ブタジエンゴム(NBR)の水素化によって加圧さ
れた反応器中で部分水素化(partially hy
drogenated)アクリロニトリル−ブタジエン
ゴム(HNBR)を製造する方法に関する。
BR))のC−C−二重結合の部分水素化により、特殊
なゴム、即ち水素化ニトリルゴム(HNBR)が得られ
る。
は、NBR溶液を均一触媒又は不均一触媒の存在下にバ
ッチ式で撹拌式の加圧されたオートクレブ中で水素によ
り水素化する。水素化されるべき溶液中のポリマーの濃
度は、約15重量%である。“Ulman′s Enc
yclopedia of IndustrialCh
emistry” dated 1993[1]におい
て、水素化のために使用される均一触媒及び不均一触媒
及び水素化の反応条件が記載されている。
用される触媒及び基質(substrate)の両方共
溶液中にある。塩素化芳香族炭化水素、例えばクロロベ
ンゼンが溶媒として使用される。ロジウム−ホスフィン
錯体又はルテニウム−ホスフィン錯体が触媒として使用
されるのが好ましい。選ばれた触媒及びその濃度に依存
して、反応温度は100〜150℃の範囲内にある。実
質的に水素分圧により決定される反応圧力は数バールか
ら約190バールまで変わることができる。
炭素、炭酸カルシウム又は二酸化ケイ素上のパラジウム
触媒が使用されるのが好ましく、触媒は溶解された基質
中に分散させられる。反応は、一般に約50℃の温度及
び約50バールの圧力で溶媒としてのケトン中で行われ
る。
の加硫のために使用することができるが、完全に水素化
された製品の場合には加硫のために過酸化物又は高エネ
ルギービームが必要である。良好な破断点伸び及び引裂
強度の故に、部分水素化HNBRタイプは完全に水素化
された製品より好ましい。
て重要な問題は、要求される水素化の程度の正確で再現
可能な確立である。NBR中の1,2−ビニル−配置
(1,2−vinyl−configured)ブタジ
エン単位のC−C−二重結合は、非常に迅速に水素化さ
れ、続いて1,4−シス配置単位(1,4−cis c
onfigured units)が水素化される。
1,4−トランス配置(1,4−trans−conf
igured)ブタジエン単位は、比較的ゆっくりと水
素化される。水素化のために使用されるNBR製品は、
1,4−トランス配置二重結合(1,4−trans
configured double bonds)の
主要な割合(predominant proport
ion)により区別される。
いだすことができ、又は更に正確には反応器から抜き取
られたサンプルの赤外分光(IR)分析により見いだす
ことができる。IR分析の適切な方法は、ASTM D
5670−95に記載されている。この方法の欠点
は、分析結果が得られるまでに一般に約20〜30分が
経過するということである。この期間中、反応は既に所
望の終点以上に及び終点を越えて続けられていることが
ある。水素化処理は費用のかかる耐圧性反応器を必要と
するので、全体のフプロセスの経済的効率は空間−時間
収率に実質的に依存している。水素化プロセスの経済的
効率は、明細に従って製品品質を同時に改良しながら、
製品生産高を増加させることにより明らかに改良するこ
とができる。
目的でしばしば使用される。NIR技術のための適当な
光学繊維が入手可能であるので、当該NIR分光計を反
応器から相対的に大きな距離のところに設置することす
らできる。しかしながら、NIR技術の欠点は、IRス
ペクトルの基本振動は測定されないで、むしろ一般に重
ね合わされる倍音(overtone)及び組み合わせ
(combination)振動が測定されるというこ
とである。水素化は常に同じ条件下に(温度、ポリマー
濃度、圧力)進行するとの条件下に、水素化の程度は化
学測定法(chemometric method)に
より決定され得る。工業プロセスは常に或る変動幅(b
andwidth)内で変わるので、必要な反応変数の
信頼できる決定は実行可能ではない。
は、同時に空間−時間収率が改良されているHNBRの
必要な水素化の程度の調節を可能にする新規な方法を見
いだすことである。
媒又は不均一触媒によるアクリロニトリル−ブタジエン
ゴムの水素化によって加圧された反応器で部分水素化ア
クリロニトリル−ブタジエンゴム(HNBR)を製造す
る方法であって、反応器内容物を水素化の開始前に不活
性にし、反応器内容物のラマンスペクトルを短い時間間
隔で記録し、生成物の実際の水素化の程度をラマン放出
線(Raman emission lines)の強
度から決定し、必要な水素化の程度が達成されると、適
当な手段により反応を停止させることを特徴とする方法
を提供する。
P.J.Hendra,C.H.Jones and
G.Warnes:Fourier Transfor
mRaman Spectroscopy,Techn
iques and Chemical Applic
ations,Ellis Horwood,Chic
hester(UK)(1991)参照]に記載されて
いる。強い光源により励起される放出されたラマン信号
が測定される。一般に、ラマン効果を励起するために、
規定された波長λ0のレーザー光が使用される。慣用さ
れるレーザーは、1.06μmの波長で放出するネオジ
ム−イットリウム−アルミニウム−ガーネット(Nd:
YAG)レーザー、ヘリウム−ネオン(λ=633n
m)レーザー、アルゴンイオン(λ=488,515n
m)レーザー又は半導体レーザー(種々の波長)であ
る。Nd:YAGレーザーの使用は、より長い励起波長
により、有機材料の妨害蛍光があまり強く生成されない
という、ヘリウム−ネオンレーザーを越える利点を有す
る。
線(λi>λ0)”が分析のために使用される(λi:ラ
マンシグナルの波長)。特により高められた温度では、
“反ストークス線(anti−Stokes line
s)(λi<λ0)”も又ラマンスペクトルを分析するた
めに重要でありうる。
りAnalytical Chemistry New
s & Features,May(1997)309
Aに記載の、市場で入手可能な分散分光計(dispe
rsive spectrometer)又は干渉計に
よりラマンスペクトルを生成するフーリエ変換(FT)
ラマン分光計(Fourier Transform
(FT)−Ramanspectrometers)に
より測定することができる。分散分光計の場合には、C
CD検出器を使用することができ、一方、液体窒素で冷
却されたInGaAs検出器又はゲルマニウム検出器は
FTラマン装置に適当である。本発明に従う方法におい
ては、Nd:YAGレーザーによるラマン放射の励起を
伴ってFT−ラマン分光計を使用するのが好ましい。何
故ならば、それにより妨害蛍光の励起が大幅に回避され
るからである。
実施するための本発明に従う適当な装置は、検査ガラス
(inspection glasses)、好ましく
は、反応器への励起放射の導入及び反応器からのラマン
放射の出を可能とする直接反応器上の検査ガラスであ
る。検査ガラスの使用により特に容易に工業的安全要求
に従うことができる。何故ならば、これらは加圧された
反応器の内容物の視覚による制御(visual co
ntrol)のための標準構造部品として販売されうる
からである。
は、ラマン散乱の当該波長範囲(λ0±λi)を包含する
励起波長λ0の範囲において吸収又は蛍光を示さない、
例えば、ホウケイ酸塩ガラス、石英又はサファイアであ
り、DIN7080、7081、8902及び8903
に従うガラスの場合には、ドイツ圧力容器規則(Ger
man Pressure Vessel Orde
r)(AD−N4)に従う選ばれた圧力範囲で使用する
ための官庁の認可(official registr
ation)が得られるような方法で製造された。この
ようなガラスは例えば、“Technische Gl
aswerke Ilmenau GmbH”D986
84 Ilmenauのパンフレットの11頁に記載さ
れている。検査ガラスは、当該反応器の壁に取り付ける
ことができ、又は、反応器の壁、基部又はカバーを通っ
て反応溶液中に漬かる(dips)耐圧性金属管の端部
に取り付けることができる。
ー光は検査ガラスを通して反応器中に通される。ラマン
散乱放射は、再び同じ検査ガラスを通って反応器を去
り、そして適当なレンズ系によって、ラマン分光計の検
出器に集束される(focussed)ことができる。
位に取り付けられるべき場合には、励起光を伝送するた
め及びラマンシグナルを運ぶ(lead away)た
めに適当な光学繊維が使用される。ラマン放射がNd:
YAGレーザーによって励起される場合には、低い自己
吸収の故に、石英光学繊維を使用することができる。レ
ーザ放射のために提供される光学繊維の端部に、適当な
光学装置(プローブ)を取り付けることが可能であり、
この光学装置(プローブ)は励起光を検査ガラスを通し
て溶液中に集束させ、所定の立体角からのラマンシグナ
ルを集め、必要ならば、レイリー散乱をろ過して取り除
き(filters out)そして他の光学繊維と接
続する。このような光学機器はダイロー・アンド・ブル
カー(Dilor and Bluker)のような会
社から購入することができる。
5cm、好ましくは0〜1cmのところにあるように、
プローブの焦点距離が設計されるか又はプローブが配置
される。厚さが1.5〜3cmの検査ガラスでは、得ら
れる焦点距離はかくして例えば2〜3.5cmである。
大きなビーム幅を有する固定焦点又は可変対物レンズ
(vario−objectives)を使用すること
ができる。熱伝導を回避するために、プローブは、好ま
しくは、検査ガラスの前に或る距離のところに取り付け
られる(プローブの対物レンズの選ばれた焦点距離に依
存して例えば2〜5mm)。
(“Laserstrahlung”)の同業者の安全
規制を認めて、本発明に従う装置においては、レーザー
放射の制御されていない放出(uncontrolle
d release)が起こり得ないようにプローブは
外側で(outwardly)シールドされる。これ
は、好ましくは検査ガラスの前方の或る距離のところに
取り付けられるダイアフラムの開口を通して同一平面の
プローブの対物レンズを案内することにより達成され
る。プローブはこの場合に反応器内容物の最適ラマンシ
グナルが測定されるまで検査ガラスの方向にシフトされ
る。
に接続されそして反応溶液中に浸るプローブによってラ
マン効果を測定することにある。光学繊維に接続された
プローブであって、それを通して励起光が反応溶液中に
直接通されそしてラマンシグナルを集めるプローブは原
理的には知られている。圧力抵抗及び温度抵抗に関する
高い安全要求により、これらの光学繊維−プローブは今
は、圧力下に水素化反応を監視するために限られた程度
にのみ使用可能である。
起光源としてのレーザー放射の使用は、反応器内容物が
不活性にされるといこが前提とならなければならない。
何故ならば、集束条件下に反応器中に送られたレーザー
放射は高いエネルギー密度に達し、従って可能な着火源
(potential ignition sourc
e)であるからである。これは、水素化の開始前に反応
器から酸素が完全に除去されなければならないことを意
味する。このために、全体の反応溶液は、レーザー放射
のスイッチが入れられる前及び水素が反応器に入れられ
る前に数回窒素でフラッシュされる。好ましくは反応器
内容物は酸素の存在について常に検査される。
ザーのスイッチを切り、そして水素圧を解放することに
より反応を停止させる。
の時間期間内に蓄積されたラマンスペクトル(例えば4
cm-1のスペクトル解像力で200スキャン)は、次い
でストークス範囲及び反ストークス範囲、好ましくはス
トークス範囲2500〜1500cm-1における励起レ
ーザー放射と比較してラマンシグナルの4000−50
cm-1相対的シフトのスペクトル範囲において分析され
る。
単位のC−C二重結合に対する下記の特徴的シグナル:
約1667cm-1における1,4−トランスC=Cに対
するI0(1667)、約1654cm-1における1,
4−シスC=Cに対するI0(1654)、及び約16
41cm-1における1,2−ビニル−C=Cに対するI
0(1641)を示す。CN−基(ニトリル基)は約2
237cm-1におけるラマンシグナルI0(2237)
を生じる。
漸次の水素化を伴って比較的ゆっくりと水素化されるの
で、生成物の残存二重結合含有率は実質的に1,4−ト
ランス配置二重結合によってのみ決定される。ニトリル
基は水素化期間中変化しないので、それは例えば中間標
準として使用することができる。従って1,4−シス−
及び1,2−ビニル−C=C構造の水素化の時間tの後
における残存二重結合含有率RDt(%)は、商Qt=I
t(1667)/It(2237)、ここにIt(166
7)及びIt(2237)は部分的に水素化された生成
物の1667cm-1及び2237cm-1におけるラマン
スペクトルの強度を示す、にほぼ比例している。
1,4−トランス−C−C−二重結合[DB(1,4−
トランス)]の含有率が水素化前に古典的な実験室方法
によって決定されるならば、水素化の開始及び時間tに
おけるそれぞれのラマン強度、I0及びItを使用して、
実際の[濃度RD(1,4−トランス)]tは、 (1) [RD(1,4-トランス)]t=[It(1667)/It(2237)]/[I0(1667)/I0(2237)]* [DB(1.4-トランス)] として決定することができる。
及び[RD(1,2−ビニル)]tも必要ならば決定す
ることができる。
の必要な水素化の程度は、水素化の前(t=0)及び水
素化の時間tでの2237cm-1におけるNBR中のA
CN基に対する1667cm-1における1,4−トラン
ス−C−C−二重結合のラマン放出線の強度比Q0=I0
(1667)/I0(2237)及びQt=It(166
7)/It(2237が決定されるような方法で上記詳
細及び式(1)に従って決定され、そして実際の水素化
の程度[RD(1,4−トランス)]tは出発生成物中
の1,4−トランス−C−C−二重結合の百分率含有率
にQt/Q0を乗じることにより計算される。
ミダゾール、スチレン並びにメチルメタクリレートの重
合のためのラマン分光法の使用は、T.Oezpoza
n,B.Schrader,St.Keller,Sp
ectrochimicaActa Part A 5
3(1997)1 to7,E.P.C.Lai,H.
S.Ghaziakar,Applied Spect
roscopy48(1994)1011並びにJ.H
aigh,A Brookes,P.J.Hendr
a,A Strawen,C.Nicolas,M.P
urprik,Spectrochimica Act
a Part A 53(1997)9/19及びE.
Gulari,K.McKeigue,K.Y.Sn
g,Macromolecules1984,17,1
822 to 1825から知られるけれども、それに
もかかわらずラマン分光法がNBRのHNBRへの接触
水素化に使用できることは驚くべきことである。何故な
らば、この反応は圧力下に且つ高められた温度で行われ
るからである。すなわち、特に工業製品(ポリマー、触
媒)の場合には、ラマン散乱の強度は非常に弱くそして
蛍光により破壊される(destroyed)ことは知
られている。更に、より高められた温度で、特に大きな
反応器では、熱放射の割合が大きく、これは測定の妨害
を生じることがある。それ故、有機金属触媒の存在下
に、例えば135℃で厚い検査ガラスを通して弱いラマ
ン散乱が観測されうるということは、説明したとおり、
予測されなかった。これに関して、ラマン分光法の使用
による酢酸ビニルの重合を記載しているOezpoza
nによる上記の報告を参照することもでき、そして特
に、実験の章では、ポリ酢酸ビニルの慣用の製造方法が
ラマン分光法のためのより良好な条件を得るために改変
されたことを指摘している該報告の2頁を参照すること
もできる。
成分約60%を含んで成り、ブタジエン成分は1,4−
トランス85.5%を含有し、7.3%は1,4−シス
でありそして7.2%は1,2−ビニルブタジエン単位
である)225g、トリフェニルホスフィン2.25
g、ロジウム触媒0.675g及びクロロベンゼン12
75gの溶液を多段階インパルス向流撹拌器(mult
istage impulse contercurr
ent agitator)及び厚さ1.5cm及び透
明幅3.9cmの検査ガラスを備えた2リットルのオー
トクレーブ中に窒素下に入れる。次いで溶液を280分
-1の回転の速度で窒素により3回フラッシングしそして
各回圧力は普通の値に解放される。
ラスの外側フランジに取り付けられる。FT−ラマン分
光計(1WNd:YAGレーザーを伴うRFS100、
カールスルーエのブルーカー社)に長さ15cmの2つ
の光学繊維を介して接続されている2cmの焦点距離を
有するプローブの対物レンズ(objective)
(カールスルーエのブルーカー社)を、最大ラマンシグ
ナルが測定されるまで検査ガラスの方向にプラスチック
ディスクの穴を通して移動させる。検査ガラスから対物
レンズの距離はこの点で4mmであった。窒素を使用し
てプローブを冷却しそして検査ガラスとプラスチックデ
ィスクとの間の空間を不活性にし、その結果80℃以下
の温度が常に維持されうる。
熱する。次いでラマン強度I0(1667)とI0(22
37)の比を、ラマンスペクトル(4cm-1スペクトル
解像力で200スキャン)を記録することにより決定す
る。ラマン強度It(i)は、ベースライン法(bas
e−line method)により決定される。下記
のベースラインが使用される。すなわち、It(166
7)については1686cm-1と1647cm-1の間の
ベースラインが使用され、そしてIt(2237)につ
いては、2263cm-1と2212cm-1との間のベー
スラインが使用される。それにより、135℃での出発
物質のラマン強度の比I0(1667)/I0(223
7)については、下記の値、(0.0274/0.03
41)=0.8035、が確立される。
に圧力下に加える。同時に、スペクトル測定及び評価プ
ログラムが開始され、これは時間tにおけるラマン強度
It(1667)とIt(2237)の比の決定により水
素化のオンライン監視を可能とし、そして取り付けられ
たコンピューターのスクリーン上に式(1)に従う瞬間
の残留二重結合含有率(momentary resi
dual double bond content)
(RD)tの表示を可能とする。各場合に4cm-1の解
像力での200スキャンの記録で、スペクトル当たり
6.5分の時間要求があった。t=6.5時間の水素化
時間の後、ラマン強度の比It(1667)/It(22
37)は0.18であった。この故に、 [RD(1,4-トランス)]6.5h=[0.18/0.8035]*85.5%=19.2
% の残留二重結合含有率が式(1)を使用して計算され
る。
により反応を停止させた。
りである。
ロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)の水素化によっ
て加圧された反応器で部分水素化アクリロニトリル−ブ
タジエンゴム(HNBR)を製造する方法であって、反
応器内容物を水素化の開始前に不活性にし、反応器内容
物のラマンスペクトルを短い時間間隔で記録し、生成物
の実際の水素化の程度をラマン放出線の強度から決定
し、必要な水素化の程度が達成されると、適当な手段に
より反応を停止させることを特徴とする方法。
間tでの2237cm-1におけるNBR中のACN基に
対する1667cm-1における1,4−トランス−C−
C−二重結合のラマン放出線の強度比Q0=I0(166
7)/I0(2237)及びQt=It(1667)/It
(2237)が決定され、そして実際の水素化の程度
[RD(1,4−トランス)]tは出発生成物中の1,
4−トランス−C−C−二重結合の百分率含有率にQt
/Q0を乗じることにより計算されることを特徴とする
上記1に従う方法。
て耐圧性検査ガラスが反応器に取り付けられており、該
検査ガラスを通して励起光が反応溶液中に通され、そし
てラマン散乱が観測されることを特徴とする上記1に従
う方法。
通って反応溶液中に漬かる耐圧性管内に位置しているこ
とを特徴とする上記1及び3に従う方法。
された光学装置(プローブ)が該検査ガラスの前に取り
付けられており、該光学装置の対物レンズは、励起光が
検査ガラスの後ろ0〜5cmの範囲において反応溶液中
に集束されそしてこの範囲からのラマン散乱が集められ
るような焦点距離を有することを特徴とする上記1〜4
に従う方法。
るダイアフラムの開口を通されることを特徴とする上記
1〜4に従う方法。
施するための装置として使用されることを特徴とする上
記1に従う方法。
助けにより励起され、そしてフーリエ変換原理に従って
作動するFT−ラマン分光計がラマンスペクトルを測定
するために使用されることを特徴とする上記1に従う方
法。
-1におけるラマンスペクトルの強度が水素化の程度を決
定するために使用されることを特徴とする上記1に従う
方法。
と、圧力の解放により反応を停止させることを特徴とす
る上記1に従う方法。
Claims (1)
- 【請求項1】 均一触媒又は不均一触媒によるアクリロ
ニトリル−ブタジエンゴム(NBR)の水素化によって
加圧された反応器で部分水素化アクリロニトリル−ブタ
ジエンゴム(HNBR)を製造する方法であって、反応
器内容物を水素化の開始前に不活性にし、反応器内容物
のラマンスペクトルを短い時間間隔で記録し、生成物の
実際の水素化の程度をラマン放出線の強度から決定し、
必要な水素化の程度が達成されると、適当な手段により
反応を停止させることを特徴とする方法。
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DE19736310A DE19736310A1 (de) | 1997-08-21 | 1997-08-21 | Verfahren zur Herstellung von teilhydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuken (HNBR) unter on-line-Anwendung der Raman-Spektroskopie |
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