KR100854835B1 - 조질의 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법 - Google Patents

조질의 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드, 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 열적으로 안정한 유기 염기를 조질의 2가 페놀로 도입시키는 단계를 포함하는, 조질의 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법에 관한 것이다.

Description

조질의 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법{PROCESS FOR THE NEUTRALIZATION OF RESIDUAL ACID SPECIES IN CRUDE DIHYDRIC PHENOLS}
2가 페놀은 폴리아릴레이트, 폴리아미드, 에폭시, 폴리에테르이미드, 폴리설폰 및 폴리카보네이트를 포함하는 각종 중합체의 상업적 제조공정에 유용하다. 페놀과 알데하이드 또는 케톤과의 산 촉매화 반응은 4,4'-2가 페놀을 제조하기 위한 공지의 방법이다. 특히 페놀이 아세톤과 반응하는 경우 비스페놀-A 또는 비스페놀 A(Bisphenol A)(이하, "BPA"로 약칭함)로도 알려진 2가 페놀인 2,2-비스(4-하이드록시-페닐)프로판이 형성다. BPA를 사용하여 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트 및 코폴리에스테르카보네이트 뿐만 아니라 에폭시를 제조할 수 있다.
2가 페놀, 예를 들어 BPA를 제조하기 위해서는 산촉매의 사용을 필요로 한다. 조질의 단리된 2가 페놀로부터의 잔기성 산은 단리 및 정제과정 중에 2가 페놀의 후속적인 크래킹(cracking)을 초래하게 된다. 예를 들어 BPA의 경우 크래킹 공정은 원치않는 부산물인 이소프로필 페놀의 형성을 유도할 수 있다. 또한, 최종적인 2가 페놀 생성물 중에 잔류하는 잔기성 산은 용융공정에 의한 폴리카보네이트의 제조과정에서 2가 페놀이 사용되는 경우 촉매 켄칭(quenching)을 초래할 수 있다.
전형적으로 저 농도의 염기, 예를 들어 수산화나트륨이 정제과정 이전에 조질의 2가 페놀에 부가되어 정제과정도중의 크래킹 수준을 감소시킨다. 2가 페놀이 용융공정에 사용되는 경우에는 잔기성 염기가 최종적인 2가 페놀 생성물 및 최종적인 중합체 생성물 중에 잔류하게 된다. 특히 용융공정으로 제조된 폴리카보네이트 중의 알칼리 금속은 바람직하지 않은 분지화 부반응의 형성을 초래하게 된다.
2가 페놀의 정제도중의 크래킹 수준을 감소시키는 것이 바람직하다. 추가로, 2가 페놀로부터 제조된 중합체 중의 분지화 부산물의 형성을 초래하는 물질의 도입없이 크래킹을 감소시키는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명은 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드, 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 열안정성 유기 염기를 조질의 2가 페놀로 도입시키는 단계를 포함하는 조질의 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법에 관한 것이다.
본 발명은 후술하는 발명의 바람직한 양태에 관한 상세한 설명 및 실시예를 참조로 하는 경우 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 조성물 및 중화방법을 개시 및 기술하기 전에 본 발명이 본원에 개시 또는 기술된 가변적일 수 있는 특정한 합성방법 또는 제형으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 사용된 용어는 특정한 양태만을 기술하기 위한 것이며 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니 된다.
하기 상세한 설명에서 용어들의 의미는 다음과 같다:
용어들이 단수 형태로 표시되었더라도 별도의 언급이 없는한 총칭하여 나타낸 것이다.
"임의적" 또는 "임의적으로"라는 표현은 후속적으로 기술되는 사건 또는 상황이 일어나거나 일어나지 않을 수 있음을 의미하고 그러한 기술은 그 사건이 일어나는 경우와 일어나지 않는 경우를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "용융 카보네이트"는 카보네이트 디에스테르와 디하이드록시 화합물과의 트랜스에스테르화에 의해 제조된 폴리카보네이트를 의미한다.
"BPA"는 비스페놀 A 또는 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판으로서 정의된다.
본원에서 사용되는 용어 "디페놀" 및 "2가 페놀"은 동의어이다.
비스페놀에 대한 공지의 제조방법은 예를 들어 미국특허 제5,783,733호에서 기술된 바와 같이 설폰산계 폴리스티렌 이온교환수지(IER)의 존재하의 케톤과 페놀의 축합을 요구한다. 상기 공정으로부터의 조질의 비스페놀 생성물은 전형적으로 낮은 수준의 설폰산 폴리스티렌 올리고머를 함유한다. 후속적인 가열처리도중 올리고머의 존재, 예를 들어 페놀의 탈리 및/또는 용융 결정화는 비스페놀의 크래킹을 일으킬 수 있다. BPA의 경우에 있어서, 비스페놀의 크래킹은 원치않는 부산물인 이소프로페닐 페놀을 생성한다.
2가 페놀의 제조공정에서 촉매로서 사용되는 전형적인 IER은 양이온 교환수지, 특히 강산 형태의 수지를 포함한다. 그의 예로는 스티렌의 설폰화된 공중합체 및 가교결합제, 예를 들어 디비닐벤젠 등의 이작용성 단량체를 포함하지만 이로써 제한되지는 않는다.
크래킹을 감소시키기 위한 방법으로는 정제전에 조질의 2가 페놀 중의 설폰산 올리고머를 중화시키는 것이 공지되어 있다. 전형적으로, 수산화나트륨과 같은 염기가 정제하기 전에 설폰산을 중화시키기 위해 부가된다. 그러나, 2가 페놀의 단리 및 정제도중 예를 들어 수산화나트륨의 경우에 황산나트륨의 염 및 보다 염기성 형태의 나트륨 예를 들어 수산화나트륨 또는 2가 페놀의 염이 최종적인 2가 페놀 생성물 중에 잔류할 수 있다.
2가 페놀이 용융 중합공정에 사용되는 경우 2가 페놀의 제조 및 가공에서 과잉 염기 예를 들어 수산화나트륨의 부가 수준을 최소화시켜 최대의 가수분해 및 열적 안정성을 보장하고 최종 중합체 중의 착색 형성을 최소화시키는 것이 바람직하다. 알칼리 토금속 염기는 용융 중합 공정에 대한 선택적 촉매인 반면 알칼리 토금속 염기 예를 들어 수산화나트륨을 사용하는 경우에도 용융 수지에서 분지화를 유발하는 부산물의 생성을 초래하게 된다. 이러한 부산물은 "프라이즈(fries)" 생성물을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "프라이즈"는 하기 화학식 I의 폴리카보네이트 중의 반복단위를 뜻한다:
Figure 112003032899637-pct00001
상기 식에서,
변수 X는 를 나타내거나
변수 Rc 및 Rd는 각각 독립적으로 수소원자 또는 1가 탄화수소 그룹을 나타내는 것으로 환 구조를 형성할 수 있다. 변수 Re는 2가 탄화수소 그룹이다.
프라이즈 생성물은 폴리카보네이트의 성능 특성 예를 들어 연성(延性)을 저하시키므로 폴리카보네이트 생성물 중에는 낮은 프라이즈 함량을 갖는 것이 매우 바람직하다. 높은 프라이즈 함량은 낮은 연성을 초래한다. 용융 공정에 의해 폴리카보네이트를 제조하는 경우 프라이즈 생성물의 형성을 초래한다.
2가 페놀을 제조하는 공정에서 알칼리 토금속 예를 들어 나트륨을 최소화하거나 제거하는 경우 2가 페놀로부터 중합체를 제조하는 용융 공정에서 분지화 부산물을 최소화시키게 될 것이다. 특히 폴리카보네이트를 제조하는데 사용된 비스페놀 중의 잔기성 알칼리 토금속 염기의 환원이 바람직하다. 그러나, 중화되지 않는 2가 페놀 중의 과량의 잔기성 산은 그것이 용융 중합에서 촉매로서 사용되는 알칼리 토금속을 중화시키므로 중합속도에 부정적인 영향을 준다.
본 발명에서 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드, 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 열적으로 안정한, 바람직하게는 200℃를 상회하는 온도에서 안정한 유기 염기를 조질의 2가 페놀에 부가하는 경우 2가 페놀로부터 제조된 최종적인 중합체 중의 프라이즈 생성물과 같은 분지화 부산물을 무시할 정도의 양으로 생성하면서 잔기성 산종 예를 들어 아릴 설폰산 종을 효과적으로 중화시킨다는 것이 밝혀졌다. 바람직하게는, 분지화 부산물은 중합체의 양을 기준으로 최종적인 중합체 중에 100ppm 미만의 양으로 존재한다. 열적으로 안정한 유기 염기는 용융 중합공정을 통틀어 IER에 의해 도입된 잔기성 아릴 설폰산 종을 효과적으로 중화시키기에 충분할 정도로 강력한 염기이다.
열적으로 안정한 유기 염기는 바람직하게는 효과적인 중화도를 제공하는 설폰산 화합물 1mol 당 열적으로 안전한 유기 염기 약 1 내지 약 25mol 당량, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 15mol 당량의 양으로 조질의 2가 페놀로 도입된다. 제조시 2가 페놀 1mol 당 약 1.0 ×10-8 내지 약 5.0 ×10-6mol의 설폰산 그룹이 조질의 2가 페놀 중에 존재하는 것으로 기대된다. 열적으로 안정한 유기 염기가 조질의 2가 페놀에 고체 예를 들어 분말로서 부가될 수 있거나 예를 들어 물 또는 알콜과 같은 용매 속에 용해될 수 있다. "조질의 2가 페놀"은 설폰산계 물질을 이용하는 공정, 예를 들어 설폰산계 폴리스티렌 이온교환수지(IER)를 이용하는 공정으로부터의 미처리 생성물을 의미한다.
제한되는 것은 아니나, 적당한 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드의 예는 테트라메틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라에틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라프로필포스포늄 하이드록사이드; 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드(tetrabutylphosphonium hydroxide; TBPH); 테트라펜틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라헥실포스포늄 하이드록사이드; 테트라헵틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라옥틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라데실포스포늄 하이드록사이드; 테트라도데실포스포늄 하이드록사이드; 테트라톨릴포스포늄 하이드록사이드; 테트라페닐포스포늄 하이드록사이드 및 이들의 혼합물을 포함한다.
한 양태에 있어서, 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드는 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드이다.
제한되는 것은 아니나, 적당한 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 또는 이의 유도체의 예는 테트라메틸포스포늄 아세테이트; 테트라에틸포스포늄 아세테이트; 테트라프로필포스포늄 아세테이트; 테트라부틸포스포늄 아세테이트; 테트라펜틸포스포늄 아세테이트; 테트라헥실포스포늄 아세테이트; 테트라헵틸포스포늄 아세테이트; 테트라옥틸포스포늄 아세테이트; 테트라데실포스포늄 아세테이트; 테트라도데실포스포늄 아세테이트; 테트라톨릴포스포늄 아세테이트; 테트라페닐포스포늄 아세테이트; 테트라메틸포스포늄 벤조에이트; 테트라에틸포스포늄 벤조에이트; 테트라프로필포스포늄 벤조에이트; 테트라페닐포스포늄 벤조에이트; 테트라메틸포스포늄 포르메이트; 테트라에틸포스포늄 포르메이트; 테트라프로필포스포늄 포르메이트; 테트라페닐포스포늄 포르메이트; 테트라메틸포스포늄 프로피오네이트; 테트라에틸포스포늄 프로피오네이트; 테트라프로필포스포늄 프로피오네이트; 테트라메틸포스포늄 부티레이트; 테트라에틸포스포늄 부티레이트; 테트라프로필포스포늄 부티레이트; 및 이들의 혼합물을 포함한다.
한 양태에 있어서, 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 또는 이의 유도체는 테트라부틸포스포늄 아세테이트이다. 전술한 바와 같이 용융 공정에 의한 폴리카보네이트의 제조에서 2가 페놀이 사용된다. 상기 2가 페놀은 염기 촉매의 존재하에서 카본산 디에스테르와 트랜스에스테르화된다. 본 발명의 방법에 따라 처리된 2가 페놀은 폴리카보네이트를 제조하기 위한 용융 공정에 특히 적합하며, 열적으로 안정한 유기 염기가 2가 페놀 중의 잔기성 산 종을 중화시키므로 최종적인 중합체에서의 개선된 특성에 기여하고, 알칼리 염기에 비해 무시할 수 있을 정도의 양의 분지화 종을 생성물 중합체 속으로 도입시킨다. 중화를 위해 본 발명에 이용되는 열적으로 안정한 유기 염기는 알칼리/알칼리 토금속 촉매와 관련된 문제를 야기하지 않는다. 예를 들어 생성물 중합체 속에 남아있는 나트륨 전체가 색상 및 열 안정성 그리고 가수분해 안정성을 악화시키는데 기여한다.
본 발명의 폴리카보네이트의 중합에 유용한 2가 페놀은 하기 화학식으로 표시될 수 있다:
Figure 112003032899637-pct00002
상기 식에서,
R은 할로겐, 1가 탄화수소 및 1가 하이드로카본옥시 라디칼로부터 독립적으로 선택되고,
R1은 할로겐, 1가 탄화수소 및 1가 하이드로카본옥시 라디칼로부터 독립적으로 선택되며,
W는 2가 탄화수소 라디칼,
Figure 112003032899637-pct00003
로부터 선택되고,
n 및 n1은 0 내지 4의 값을 갖는 정수로부터 독립적으로 선택되며
b는 0 또는 1이다.
위에서 R 및 R1으로 표시된 1가 탄화수소 라디칼은 알킬, 사이클로알킬, 아릴, 아르알킬 및 알크아릴 라디칼을 포함한다. 바람직한 알킬 라디칼은 탄소수 1 내지 약 12의 알킬 라디칼이다. 바람직한 사이클로알킬 라디칼은 환 탄소수 4 내지 약 8의 사이클로알킬 라디칼이다. 바람직한 아릴 라디칼은 환 탄소수 6 내지 12의 아릴 라디칼, 즉, 페닐, 나프틸 및 비페닐이다. 바람직한 알크아릴 및 아르알킬 라디칼은 탄소수 7 내지 약 14의 것이다.
위에서 R 및 R1으로 표시된 바람직한 할로겐 라디칼은 염소 및 브롬이다.
위에서 W로 표시된 2가 탄화수소 라디칼은 알킬렌, 알킬리덴, 사이클로알킬렌 및 사이클로알킬리덴 라디칼을 포함한다. 바람직한 알킬렌 라디칼은 탄소수 2 내지 약 30의 알킬렌 라디칼이다. 바람직한 알킬리덴 라디칼은 탄소수 1 내지 약 30의 알킬리덴 라디칼이다. 바람직한 사이클로알킬렌 및 사이클로알킬리덴 라디칼은 환 탄소수 6 내지 약 16의 것이다.
위에서 R 및 R1으로 표시된 1가 하이드로카본옥시 라디칼은 화학식 -OR2로 표시될 수 있으며, 상기 R2는 위에서 기술한 유형의 1가 탄화수소 라디칼이다. 바람직한 1가 하이드로카본옥시 라디칼은 알콕시 및 아릴옥시 라디칼이다.
제한되는 것은 아니나, 적당한 2가 페놀은 BPA; 2,2-(3,5-디브로모-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)프로판; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)데칸; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)프로판; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로데칸; 1,1-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)사이클로도데칸; 4,4-디하이드록시페닐 에테르; 4,4-디하이드록시-3,3-디클로로디페닐 에테르; 4,4-티오디페놀; 4,4-디하이드록시-3,3-디클로로디페닐 에테르; 4,4-디하이드록시-2,5-디하이드록시디페닐 에테르; BPI; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)-1-페닐에탄; 1,1-비스(3-메틸-4-하이드록시페닐)-1-페닐에탄 및 이들의 혼합물을 포함한다. 한 양태에 있어서, 폴리카보네이트 중의 2가 페놀은 BPA로부터 유도된 잔기를 100mol% 포함한다.
임의적으로, 다작용성 화합물이 이용될 수 있다. 분지된 폴리카보네이트의 중합에 사용되는 적당한 다작용성 화합물은, 제한되지는 않지만, 1,1,1-트리스(4-하이드록시페닐)에탄; 4-[4-[1,1-비스(4-하이드록시페닐)-에틸]-디메틸벤질]; 트리멜리트산 무수물; 트리멜리트산; 또는 이들의 산 클로라이드 유도체를 포함한다.
제한되지는 않으나, 카본산의 디에스테르로는 디아릴 카보네이트 화합물, 디알킬 카보네이트 화합물 및 알킬아릴 카보네이트 화합물을 포함하는 각종 화합물이 사용될 수 있다. 제한되지는 않으나 카본산의 적당한 디에스테르는 디아릴 카보네이트; 비스(4-t-부틸페닐)카보네이트; 비스(2,4-디클로로페닐)카보네이트; 비스(2,4,6-트리클로로페닐)카보네이트; 비스(2-시아노페닐)카보네이트; 비스(o-니트로페닐)카보네이트; 디톨릴 카보네이트; m-크레졸 카보네이트; 디나프틸 카보네이트; 비스(디아릴)카보네이트; 디에틸카보네이트; 디메틸 카보네이트; 디부틸 카보네이트; 디사이클로헥실 카보네이트; 및 이들의 혼합물을 포함한다. 물론, 디아릴 카보네이트가 바람직하다. 상기 화합물 중 둘 이상이 사용되는 경우 하나는 디아릴 카보네이트인 것이 바람직하다.
용융 공정에 의해 폴리에스테르카보네이트를 제조하는데 사용되는 디페닐 카보네이트: 적당한 카보네이트 공급원, 촉매 및 반응조건은 미국특허 제5,880,248호 및 문헌[Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Fourth Edition, Volume 19, pp. 585-600]에서 찾을 수 있으며 상기 특허 및 문헌은 본원에서 참조로 인용된다.
임의적으로는 말단 캡핑화제가 사용된다. 적당한 말단 캡핑화제는 1가 방향족 하이드록시 화합물, 1가 방향족 하이드록시 화합물의 할로포르메이트 유도체, 1가 카복실산, 1가 카복실산의 할라이드 유도체 및 이들의 혼합물을 포함한다.
제한되지는 않으나, 적당한 말단 캡핑화제는 페놀; p-t-부틸페놀; p-쿠밀페놀; p-쿠밀페놀카보네이트; 운데카노산; 라우르산; 스테아르산; 페닐 클로로포르메이트; t-부틸 페닐 클로로포르메이트; p-쿠밀 클로로포르메이트; 크로만 클로로포르메이트; 하이드로카다놀; 노닐 페놀; 옥틸 페놀; 노닐 페닐 클로로포르메이트; 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 추가로, 페놀 또는 알킬살리실레이트와 함께 상기 말단 캡핑화제로 이루어진 혼합된 카보네이트 및 에스테르가 허용될 수 있다.
존재하는 경우 말단 캡핑화제는 2가 페놀 1mol 당 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.20mol, 보다 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.15mol, 더욱 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.10mol의 양으로 존재한다.
용융 축중합 공정에 사용되는 전형적인 촉매는, 제한되지는 않으나, 알칼리 금속 화합물, 알칼리 토금속 화합물, 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 및 이들의 조합물을 포함한다. 제한되지는 않으나, 기타 촉매로는 세슘 하이드로겐 포스페이트; 나트륨 포스페이트; 나트륨 포스파이트; 세슘 설페이트; 세슘 나트륨 설페이트; 이나트륨 EDTA; 나트륨 설파이트; 이나트륨 마그네슘 EDTA; 및 미들의 혼합물이 있다.
촉매로서 유용한 알칼리 금속 화합물은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 나트륨 하이드로겐카보네이트; 칼륨 하이드로겐카보네이트; 리튬 하이드로겐카보네이트; 탄산나트륨; 탄산칼륨; 탄산리튬; 아세트산나트륨; 아세트산칼륨; 아세트산리튬; 스테아르산나트륨; 스테아르산칼륨; 스테아르산리튬; 나트륨 보로하이드라이드; 리튬 보로하이드라이드; 나트륨 보로페놀레이트; 나트륨 벤조에이트; 칼륨 벤조에이트; 리튬 벤조에이트; 이나트륨 하이드로겐포스페이트; 이칼륨 하이드로겐포스페이트; 이리튬 하이드로겐포스페이트; BPA의 이나트륨, 이칼륨 및 이리튬 염; 및 페놀의 나트륨, 칼륨 및 리튬 염을 포함한다.
촉매로서 유용한 알칼리 토금속 화합물은 수산화칼슘, 수산화바륨, 수산화마그네슘, 수산화스트론튬, 칼슘 하이드로겐카보네이트, 바륨 하이드로겐카보네이트, 마그네슘 하이드로겐카보네이트, 스트론튬 하이드로겐카보네이트, 탄산칼슘, 탄산바륨, 탄산마그네슘, 탄산스트론튬, 아세트산칼슘, 아세트산바륨, 아세트산마그네슘, 아세트산스트론튬, 스테아르산칼슘, 스테아르산바륨, 스테아르산마그네슘 및 스테아르산 스트론튬을 포함한다.
촉매로서 유용한 4급 암모늄 화합물은 테트라알킬암모늄 화합물 예를 들어 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 및 테트라에틸암모늄 하이드록사이드를 포함한다. 4급 암모늄 화합물의 예는, 제한되지는 않으나, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH); 테트라에틸암모늄 하이드록사이드; 테트라부틸암모늄 하이드록사이드; 트리메틸벤질암모늄 하이드록사이드 및 이들의 혼합물을 포함한다. 적당한 4급 포스포늄 화합물의 예는, 제한되지는 않으나, 테트라메틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라에틸포스포늄 하이드록사이드; 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드 및 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직한 촉매는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 수산화나트륨 및 이들의 혼합물을 포함한다. 생성물 폴리카보네이트는 폴리스티렌 표준에 대해 겔 투과 크로마토그래피로 측정하는 경우 전형적으로는 약 5,000 내지 약 100,000, 보다 바람직하게는 약 10,000 내지 약 65,000, 가장 바람직하게는 약 18,000 내지 약 36,000의 중량평균분자량을 갖는다.
용융중합공정의 반응조건은 제한됨이 없이 광범위한 조작조건에서 수행될 수 있다. 반응온도는 전형적으로는 약 100 내지 약 350℃, 보다 바람직하게는 약 180 내지 약 310℃이다. 압력은 대기압이거나, 반응초기단계에서는 대기압 내지 약 15torr의 가압 및 후속 단계에서는 예를 들어 약 0.2 내지 약 15torr의 감압에서 수행될 수 있다. 반응시간은 일반적으로는 약 0.1시간 내지 약 10시간이다.
용융중합공정은 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이 1단계 이상의 단계로 수행될 수 있다. 한 양태에 있어서, 상기 공정은 2단계 공정으로 수행된다. 2단계 공정의 경우 제 1 단계는 올리고머화 단계이고 제 2 단계는 중합단계이다. 상기 양태의 제 1 단계에서는 디하이드록시 화합물 및 카본산 디에스테르 및 디아릴에스테르를 포함하는 반응시스템에 염기가 도입된다. 제 1 단계는 290℃ 이하, 바람직하게는 150 내지 290℃, 보다 바람직하게는 200 내지 280℃의 온도에서 수행된다. 제 1 단계의 수행시간은 바람직한 질소 분위기 및 대기압 내지 100torr의 압력에서 바람직하게는 0 내지 5시간, 보다 바람직하게는 0 내지 3시간이다. 또한, 제 1 단계 이전에 예를 들어 단량체 혼합 탱크에 염기가 도입될 수 있다. 단량체 혼합탱크의 내용물은 제 1 단계 또는 그 사이의 임의의 곳으로 급송된다. 올리고머의 분자량은 8,000 Mn 미만이다.
염기 촉매는 방향족 디하이드록시 화합물 1mol에 대하여 전형적으로는 약 10-8 내지 약 10-3mol의 범위로 존재한다. 또다른 양태에 있어서, 촉매는 방향족 디하이드록시 화합물 1mol에 대하여 약 10-7 내지 약 10-5mol의 범위로 존재한다.
또한, 폴리카보네이트 생성물의 특성에 악영향을 주지 않는한 상기 폴리카보네이트 생성물에 첨가제가 부가될 수 있다. 첨가제는 다양한 목적으로 폴리카보네이트에 통상적으로 부가되는 광범위한 물질일 수 있다. 이의 특정한 예는 열안정화제, 에폭시 화합물, 자외선 흡수제, 이형제, 착색제, 대전방지제, 슬리핑제, 블로킹 방지제, 윤활제, 연무방지제, 천연유, 합성유, 왁스, 유기 충전제, 인화 지연제, 무기 충전제 및 기타 통상적으로 공지된 유형의 첨가제를 포함한다.
반응은 회분식 또는 연속식으로 수행될 수 있다. 반응은 임의의 바람직한 장치에서 수행될 수 있다. 본 발명에 사용되는 반응기의 재질 및 구조는 반응기가 통상적인 교반능을 보유하는 이상 특별히 제한되지 않는다. 반응 시스템의 점도가 후속 반응단계에서 증가하므로 반응기는 고점도 조건에서 교반할 수 있는 것이 바람직하다.
하기 실시예는 본원 청구범위에 청구된 물질 및 방법의 기술로서 그 물질이 어떻게 제조되고 평가되었는지를 이 분야의 통상의 숙련가들에게 제공하기 위한 것으로, 이로써 본 발명의 범주가 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 하기 제시된 수치(예: 양, 온도 등)는 정확성을 담보하기 위한 노력의 일환으로서 제공된 것으로 일부 에러 또는 오차는 고려되어야 한다. 별도의 언급이 없는 한 부는 중량부를 의미하며 온도는 섭씨온도(℃)를 뜻한다.
분자량은 수평균분자량(Mn)으로 보고되었으며 용융중합에 의해 제조된 폴리카보네이트의 GPC 분석에 의해 측정되었다. 폴리스티렌 표준을 사용하여 폴리카보네이트가 마크-호우윈크식(Mark-Houwink equation)을 사용하여 측정될 수 있는 완전한 계측을 수행하였다. 칼럼의 온도는 25℃이었으며 이동상은 클로로포름이었다.
하기 실시예는 샘플 1이 어떻게 제조되었는지를 기술한다. 나머지 샘플들은 달리 언급되지 않는 한 표 1에 기재된 다른 촉매를 사용하는 동일한 과정에 의해 제조되었다.
합성 실시예 1
고형의 니켈재 나선형 교반기가 구비된 1ℓ용적의 유리재 회분식 반응기에서 하기 반응을 수행하였다. 유리재 반응기 표면은 산 세척, 세정 및 후속적으로 70℃에서의 밤새 건조시킴으로써 불활성화시켰으며 사용시까지 밀폐 보관하였다.
반응기의 온도는 PID 조절기를 갖는 유동화된 모래욕을 사용하여 유지시켰으며 반응기 근처 및 모래욕 계면에서 측정하였다. 반응기의 압력은 증류물 수거 플라스크의 진공펌프 다운스트림으로 질소 블리드에 의해 조절하였고 수은 기압계를 사용하여 고압(760mmHg 내지 40mmHg) 및 에드워드 피라니 계측기(Edward pirani gauge)를 사용하여 저압(40mmHg 내지 1mmHg)에서 측정하였다.
조립하기 전에 반응기에 BPA 0.6570mol 및 디페닐 카보네이트 0.7096mol을 충전시켰다. 수행이 p-톨루엔 설폰산으로 스파이킹되는 경우 반응 후기에 NaOH를 갖는 용액, 또는 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드(TBPH)의 용액으로서 산이 부가된다. 이어서 반응기를 조립 밀봉하고 분위기를 질소로 3회 교환시켰다. 최종회의 질소 교환이 있는 경우 반응기를 대략 대기압으로 놓고 180℃인 유동화 욕속에 침윤시켰다. 5분 경과후 250rpm의 속도로 교반을 시작하였다. 이후 10분 경과후 반응물은 완전히 용융되었으며 균일 혼합물이 관측되었다. 18Mohm의 물을 사용하여 적절한 농도(0.220 M TMAH 및 5.00 ×10-3 M NaOH)로 희석시킨 후 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH; 1.32 ×10-4mol) 및 수산화나트륨(NaOH; 5.00 ×10-7mol)을 순차적으로 부가하였다. 이 때, 적절한 경우, 수용성 용매로서 TBPH를 부가시켰다. 최종 촉매를 부가한 후 시간계측을 시작하고 5분 이내에 온도를 210℃로 급상승시켰다. 그 온도에서 압력을 180mmHg로 강하시키고 페놀 증류물이 즉시 형성되었다. 25분 경과후 압력을 100mmHg로 재강하시키고 45분동안 유지시켰다.
이어서, 5분 이내에 온도를 240℃로 급상승시키고 압력을 15mmHg로 강하시켰다. 이러한 조건을 45분동안 유지시켰다. 이어서, 상기 온도를 5분 이내에 270℃로 급상승시켰으며 압력을 2mmHg로 강하시켰다. 이러한 조건을 10분동안 유지시켰다. 이어서, 상기 온도를 5분 이내에 최종적인 끝처리 온도로 급상승시켰으며 압력을 1.1mmHg로 강하시켰다. 끝처리 온도는 310℃이었다. 30분 경과후 반응기를 모래욕으로부터 분리하고 용융물을, 반응을 켄칭시키는 액체 질소로 압출(extruding)시켰다.
표 1에 기재된 결과치는 TBPH의 부가의 효능을 명백히 나타낸다. 본원에서 기술된 열적으로 안정한 유기 염기를 부가하는 경우 BPA 크래킹이 천천히 진행되도록 산성 IER의 적절한 중화능을 제공하며 후속적인 용융 중합에 부정적인 방식으로 악영향을 주지도 않는다. 예를 들어 TBPH를 부가하는 경우 알칼리 금속 염기 예를 들어 NaOH에 의해 중합과정 전반에 걸쳐 생성된 분지화 부산물의 양이 무시할 수 있을 정도이지만, 잔기성 설폰산 종 예를 들어 아릴 설폰산 종을 효과적으로 중화시키기에 충분할 정도로 강력하다. 본 실시예들에서 p-톨루엔설폰산(pTSA)의 부가는 설폰화된 폴리스티렌 IER에 대한 모델로서 사용된다. 중합도중 pTSA 중화의 효능은 중합체의 최종적인 분자량에 의해 결정된다. 표 1, 실시예 3으로부터 알 수 있듯이, 부가된 수산화나트륨과 대등한 중합에 대한 pTSA의 부가량은 수산화나트륨의 중화를 일으킨다. TMAH는 비교적 낮은 열 안정성을 나타내므로 중합도중 매우 신속하게 분해되어 효과적으로 중화되는 pTSA 및 NaOH만을 남기게 된다. 이와 대조적으로, TBPH의 부가는 부가된 pTSA의 효과를 완전히 소멸시킨다. TBPH는 TMAH보다 열적으로 안정하며, 후속 테트라부틸포스포늄 염의 증강된 열적 안정성 또한 pTSA의 존재하의 TBPH 대 TMAH의 10 저농도의 인자인 경우의 부가(참조: 실시예 8)가 TMAH/NaOH 중합(참조: 실시예 1)과 동일한 분자량을 제공하므로 추론될 수 있다.
TMAH 및 NaOH를 사용하는 표준 중합에 대해 pTSA를 부가하는 경우 상기 TMAH가 pTSA의 250배 몰 과량으로 존재하는 경우에도 NaOH의 매우 효과적인 중화를 일으키게 된다. TMAH를 TBPH로 대체하는 스파이킹 실험에서 pTSA의 효과는 완전히 소멸된다. TBPH는 매우 효과적인 촉매로서 작용성화되었다. 상기 스파이킹 실험의 결과는 중합에 대해 아주 낮은 수준의 TBPH의 부가의 효능을 예시한다. 용융공정동안 표준조건(2.5 ×10-4에서의 TMAH 및 1.0 ×10-6에서의 NaOH)하에 수행된 실험에서 pTSA는 1.0 ×10-6에서 스파킹되었으며 증가된 수준의 TBPH가 부가되었다. 더 욱 낮은 수준의 TBPH에 대한 상당한 영향이 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 입증되었다. 예를 들어 TBPH(2.5 ×10-5)의 TMAH 적재분의 10% 만을 부가하는 경우에 pTSA 스파킹이 없는 표준조건과 대등한 분자량 증가가 입증되었다.
Figure 112007015710814-pct00004
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, TBPH를 충분량 부가하는 경우 중합을 증강시키지 않는 것으로 나타나지만, 실시예 1, 3 및 8의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 부가된 pTSA를 효과적으로 중화시킨다. 아릴 설폰산은 본질적으로 pTSA의 폴리스티렌 계 버전이다.
추가적으로, 실험은 크래킹을 나타내도록 수행되었다. 수행조건: 1.0ppm의 pTSA를 갖는 100g의 BPA를 225℃에서 2.5시간동안 가열시켰다.
부가된 염기, 형성된 이소프로페닐 페놀(IPP)%
없음 0.11%
TBPA(1.0mol 당량) 0.015%
NaOH 0.015%
산(이 경우 pTSA)의 존재하의 BPA는 크래킹을 형성하고 IPP(이소프로페닐 페놀)을 형성한다. 따라서, IPP가 많이 형성될수록 BPA가 많이 크래킹된다. 역으로, BPA가 적을수록 크래킹도 적다. 따라서, 위에서 나타낸 바와 같이 실시예들은 TBPA 및 NaOH 둘 다가 존재하는 pTSA를 중화시킴으로써 BPA 크래킹을 억제한다는 것을 보여준다. 플랜트와 관련하여서는 (페놀 및 아세톤으로부터의) BPA 형성을 촉매화하도록 유합된 올리고머성 이온교환 수지(중합체성 형태의 pTSA인 IER)에 의해 조질의 BPA 스트림으로의 소량의 산 오염이 후보군이 된다. BPA의 정제도중 잔류 페놀은 열 및 진공(180℃ 이하)에 의해 BPA로부터 제거된다. 상기 온도에서 산의 존재는 BPA를 크래킹시키는 것을 개시한다. NaOH는 부가되어 pTSA를 중화시킴으로써 BPA의 크래킹을 효과적으로 방지한다. NaOH가 용융 중합에서 소모되고 잠재적으로는 프라이즈 형성을 일으키는 문제가 여전히 남아 있다. TBPA를 사용하는 경우 pTSA를 효과적으로 중화시키고 (열적으로 충분히 안정해지고) 프라이즈 형성을 야기하지 않는다.
본 발명은 이의 바람직한 양태를 참조로 하여 상세히 기술되었으나, 본 발명의 정신 및 범주내에서 여기에 변화 및 변형을 가할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (5)

  1. 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드, 테트라오가노포스포늄 카복실산 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 열적으로 안정한 유기 염기를 2가 페놀로 도입시키는 단계를 포함하는, 2가 페놀 중의 잔기성 산종의 중화방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2가 페놀이 비스페놀 A인 중화방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    열적으로 안정한 유기 염기가 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드인 중화방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    2가 페놀이 비스페놀 A이고 열적으로 안정한 유기 염기가 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드인 중화방법.
  5. 테트라부틸포스포늄 하이드록사이드를 비스페놀 A로 도입시키는 단계를 포함하는, 비스페놀 A 중의 잔기성 산종의 중화방법.
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