KR20040030842A - 폴리카보네이트의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 낮거나 감지할 수 없는 수준의 프리스 전위 생성물을 함유하는 폴리카보네이트의 제조 방법에 관한 것으로, 이는 비스페놀 A와 같은 디하이드록시 방향족 화합물을 메틸 살리실레이트의 디아릴 카보네이트인 비스-메틸 살리실 카보네이트와 같은 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트와 용융 반응시켜 제조할 수 있다. 낮은 수준의 프리스 생성물은 프리스 반응을 억제하는 고효율의 촉매 시스템과 디페닐 카보네이트를 이용하는 유사한 중합 반응에 필요한 온도에 비해 낮은 용융 중합 온도를 이용하는 조합된 결과로서 수득된다.
Description
비스페놀 A 폴리카보네이트 같은 폴리카보네이트는 전형적으로 계면 또는 용융 중합 방법에 의해 제조된다. 물, 용매(예: 메틸렌 클로라이드), 산 수용체(예: 수산화나트륨) 및 상전이촉매(예: 트리에틸아민)의 존재하에 비스페놀(예: 비스페놀 A(BPA))을 포스겐과 반응시키는 것이 전형적인 계면 방법이다. 촉매(예: 수산화나트륨)의 존재하에 고온에서 비스페놀 A를 카보네이트 단위의 공급원(예: 디페닐 카보네이트)과 반응시키는 것이 현재 이용되는 전형적인 용융 중합 방법이다. 각 방법은 큰 상업적 규모로 수행되며, 각각 중요한 결점을 나타낸다.
폴리카보네이트를 제조하기 위한 계면 방법은 몇 가지 고유한 단점을 갖는다. 첫째, 명백한 안전성 우려 때문에, 반응물로서 포스겐을 필요로 하는 공정을작동시키는 것은 불리하다. 둘째, 환경에 대해 임의의 불리한 영향을 끼치지 않기 위하여 값비싼 예방 조치를 취해야 하기 때문에, 다량의 유기 용매를 사용해야 하는 공정을 수행하는 것은 불리하다. 셋째, 계면 방법에는 비교적 다량의 설비 및 자본 투자가 필요하다. 넷째, 계면 공정에 의해 제조된 폴리카보네이트는 균일하지 못한 색상, 보다 높은 미립자 수준 및 보다 높은 클로라이드 함량(이는 부식을 야기할 수 있음)을 갖는 경향이 있다.
용융 방법은 포스겐 또는 용매(예: 메틸렌 클로라이드)를 사용할 필요는 없으나 고온 및 비교적 긴 반응 시간을 필요로 한다. 그 결과, 성장하는 중합체 쇄를 따라 일어나는 카보네이트 단위의 프리스 전위에 의해 생성되는 생성물 같은 부산물이 고온에서 생성될 수 있다. 프리스 전위는 중합체의 유동성 및 성능에 부정적으로 영향을 끼칠 수 있는 바람직하지 못하고 제어되지 않은 중합체 분지를 일으킨다.
몇 년 전, 미국 특허 제 4,323,668 호에서는 포스겐을 메틸 살리실레이트와 반응시켜 생성시킨 디아릴 카보네이트를 비스페놀(예: BPA)과 반응시킴으로써 비교적 온화한 조건 하에서 폴리카보네이트를 제조할 수 있었음이 보고되었다. 이 방법에서는 고분자량 폴리카보네이트를 달성하기 위하여 비교적 고농도의 에스테르 교환 촉매(예: 스테아르산리튬)를 사용하였다. 높은 촉매 사용량은, 촉매가 반응 후 생성물 폴리카보네이트에 잔류하기 때문에, 용융 폴리카보네이트 반응에 특히 바람직하지 못하다. 폴리카보네이트에 에스테르 교환 촉매가 존재하면 흡수량 증가, 고온에서의 중합체 열화 및 변색을 촉진시킴으로써 이 폴리카보네이트로부터제조된 제품의 가용 수명을 단축시킬 수 있다.
따라서, 비스페놀 및 에스테르 치환된 디아릴 카보네이트(예: 비스-메틸 살리실 카보네이트)로부터 폴리카보네이트를 용융 제조하는데 필요한 촉매의 양을 감소시키는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명은 촉매, 화학식 I의 구조를 갖는 하나 이상의 디아릴 카보네이트 및 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물을 포함하는 혼합물을 가열하는 것을 포함하는 폴리카보네이트의 제조 방법을 제공하는데,
상기 촉매는 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원 하나 이상 및 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물 하나 이상을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원은 혼합물에서 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8몰의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 양으로 존재하고, 상기 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물은 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 2.5 x 10-3내지 약 1 x 10-6몰의 양으로 존재한다:
상기 식에서,
R1및 R2는 각각 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20방향족 라디칼이고,
R3및 R4는 각각 독립적으로 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼, C4-C20방향족 라디칼, C1-C20알콕시 라디칼, C4-C20사이클로알콕시 라디칼, C4-C20아릴옥시 라디칼, C1-C20알킬티오 라디칼, C4-C20사이클로알킬티오 라디칼, C4-C20아릴티오 라디칼, C1-C20알킬설피닐 라디칼, C4-C20사이클로알킬설피닐 라디칼, C4-C20아릴설피닐 라디칼, C1-C20알킬설포닐 라디칼, C4-C20사이클로알킬설포닐 라디칼, C4-C20아릴설포닐 라디칼, C1-C20알콕시카보닐 라디칼, C4-C20사이클로알콕시카보닐 라디칼, C4-C20아릴옥시카보닐 라디칼, C2-C60알킬아미노 라디칼, C6-C60사이클로알킬아미노 라디칼, C5-C60아릴아미노 라디칼, C1-C40알킬아미노카보닐 라디칼, C4-C40사이클로알킬아미노카보닐 라디칼, C4-C40아릴아미노카보닐 라디칼 및 C1-C20아실아미노 라디칼이고,
b 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수이다.
본 발명은 또한 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트의 반응에 의해 폴리카보네이트를 형성하는 방법에 관한 것인데, 여기서 생성물 폴리카보네이트 중의 프리스 전위 생성물의 수준은 약 1000 ppm 미만이고, 생성물 폴리카보네이트 중의 내부 에스테르 카보네이트 결합의 수준은 사용된 디하이드록시 방향족 화합물의 총 몰 수의 약 1% 미만이고, 생성물 폴리카보네이트 중의 말단 하이드록시 에스테르기의 수준은 사용된 디하이드록시 방향족 화합물의 총 몰 수의 약 1% 미만이다.
본 발명은 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트와 비스페놀의 용융 반응에 의한 폴리카보네이트의 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 매우 낮은 수준의 프리스 전위 생성물을 갖고 높은 수준의 말단 캡핑을 소유하는 폴리카보네이트를 온화한 조건에서 형성하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시태양 및 그에 포함되는 실시예에 대한 하기 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명을 더욱 용이하게 이해할 수 있다. 하기 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서는, 다음과 같은 의미를 갖는 것으로 정의되는 다수의 용어가 언급될 것이다:
단수형 "하나" 및 "하나의"는 문맥상 명백히 다른 의미로 해석되지 않는 한 복수형 지시대상을 포함한다.
"임의적인" 또는 "임의적으로"는 뒤에 기재되는 사건 또는 상황이 일어날 수 있거나 일어나지 않을 수 있으며 기재내용에 그 사건이 일어나는 경우 및 그 사건이 일어나지 않는 경우가 포함됨을 의미한다.
본원에 사용되는 "폴리카보네이트"라는 용어는 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물로부터 유도되는 구조 단위가 혼입된 폴리카보네이트를 일컬으며, 코폴리카보네이트 및 폴리에스테르카보네이트를 포함한다.
본원에 사용되는 용어 "용융 폴리카보네이트"는 디하이드록시 방향족 화합물과 디아릴 카보네이트의 에스테르 교환 반응에 의해 제조된 폴리카보네이트를 일컫는다.
"BPA"는 본원에서 비스페놀 A 또는 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판으로 정의된다.
본원에 사용되는 "촉매 시스템"은 용융 공정에서 디아릴 카보네이트와 비스페놀의 에스테르 교환 반응을 촉진시키는 촉매 또는 촉매들을 일컫는다.
본원에서 사용되는 "비스페놀", "디페놀" 및 "디하이드릭 페놀"은 동의어이다.
"촉매 효과량"은 촉매 성능이 나타나는 촉매의 양을 말한다.
본원에 사용되는 "프리스 생성물"이란 용어는, 생성물 폴리카보네이트를 가수분해시킬 때 카복시-치환된 디하이드록시 방향족 화합물의 하이드록시기중 하나 또는 둘 다에 인접한 카복시기를 갖는 상기 카복시-치환된 디하이드록시 방향족 화합물을 제공하는 생성물 폴리카보네이트의 구조 단위로서 정의된다. 예를 들어, 프리스 반응이 일어나는 용융 반응 방법에 의해 제조된 폴리카보네이트에서, 프리스 생성물은 하기 화학식 VIII의 구조를 포함하며, 이는 생성물 폴리카보네이트를완전히 가수분해시킬 때 2-카복시 비스페놀 A를 제공한다.
용어 "프리스 생성물" 및 "프리스 기"는 본원에서 호환가능하게 사용된다.
용어 "프리스 반응" 및 "프리스 전위"는 본원에서 호환가능하게 사용된다.
본원에서 사용되는 "지방족 라디칼"이라는 용어는 환상이 아닌 원자의 선형 또는 분지된 배열을 포함하는 1 이상의 원자가를 갖는 라디칼을 일컫는다. 상기 배열은 질소, 황 및 산소 같은 헤테로원자를 포함할 수 있거나 또는 탄소 및 수소로만 구성될 수 있다. 지방족 라디칼의 예는 메틸, 메틸렌, 에틸, 에틸렌, 헥실, 헥사메틸렌 등을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "방향족 라디칼"은 하나 이상의 방향족 기를 포함하는 1 이상의 원자가를 갖는 라디칼을 말한다. 방향족 라디칼의 예는 페닐, 피리딜, 푸라닐, 티에닐, 나프틸, 페닐렌 및 비페닐을 포함한다. 이 용어는 방향족 성분과 지방족 성분을 둘 다 함유하는 기, 예컨대 벤질기를 포함한다.
본원에 사용되는 용어 "지환족 라디칼"은 환상이지만 방향족이 아닌 원자의 배열을 포함하는 1 이상의 원자가를 갖는 라디칼을 일컫는다. 이 배열은 질소, 황 및 산소 같은 헤테로원자를 포함할 수 있거나 또는 탄소 및 수소로만 구성될 수 있다. 지환족 라디칼의 예는 사이클로프로필, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 테트라하이드로푸라닐 등을 포함한다.
본 발명에서, 비스페놀과 에스테르 치환된 디아릴 카보네이트의 용융 반응을 이용하여 폴리카보네이트를 제조하기 위해서 극히 낮은 수준의 촉매가 사용될 수 있다는 것을 알아냈다. 매우 낮은 충전량의 촉매를 사용하면 두 가지 면 이상에서바람직하다. 먼저, 용융 중합 과정에서 낮은 촉매 수준의 사용은 바람직하지 못한 프리스 전위 생성물의 형성을 억제한다. 둘째로, 중합체 중에 존재하는 잔류 촉매가 물 흡수, 열적 안정성 감소 및 탈색의 촉진에 의해 이것으로 만들어진 제품의 유효 수명을 감소시키는 경향이 있기 때문에, 이를 최소화시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 폴리카보네이트는 프리스 전위 생성물이 전혀 없거나 감지할 수 없는 수준으로 이를 함유한다. 더욱이, 외부에서 첨가된(즉, 외인성) 일작용성 페놀이 존재하지 않는 경우, 생성물 폴리카보네이트는 매우 크게 캡핑되고, 50% 미만이 유리 하이드록실기인 말단기를 갖는다. 외인성 일작용성 페놀이 중합 혼합물에 첨가되는 경우, 상기 페놀의 혼입이 높은 수준으로 관찰된다. 이 같은 방법으로 중합체 말단기 및 중합체 분자량이 용융 반응에서 조절될 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서, 용융 반응 조건 하에서 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원 하나 이상 및 유기 암모늄 화합물 또는 유기 포스포늄 화합물 또는 이들의 조합의 존재 하에서, 화학식 I의 구조를 갖는 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트는 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물과 반응된다. 화학식 I의 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트는 비스-메틸 살리실 카보네이트(CAS 등록 번호 82091-12-1), 비스-에틸 살리실 카보네이트, 비스-프로필 살리실 카보네이트, 비스-부틸 살리실 카보네이트, 비스-벤질 살리실 카보네이트, 비스-메틸 4-클로로살리실 카보네이트 등에 의해 예시된다. 전형적으로는, 비스-메틸 살리실 카보네이트가 바람직하다.
본 발명에 따른 디하이드록시 방향족 화합물은 하기 화학식 II의 구조를 갖는 비스페놀, 화학식 III의 구조를 갖는 디하이드록시 벤젠 및 화학식 IV 및 화학식 V의 구조를 갖는 디하이드록시 나프탈렌으로 구성된 군에서 선택된다:
(상기 식에서,
R5내지 R12는 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C6-C20아릴 라디칼이고,
W는 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, SO2기, C6-C20방향족 라디칼, C6-C20지환족 라디칼 또는 기이고,
R13및 R14는 독립적으로 수소 원자, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이거나, 또는 R13과 R14는 함께 하나 이상의 C1-C20알킬, C6-C20아릴, C5-C21아르알킬, C5-C20사이클로알킬기 또는 이들의 조합에 의해 임의적으로 치환되는 C4-C20지환족 고리를 형성함)
(상기 식에서,
R15는 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고, d는 0 내지 4의 정수임);
(상기 식 IV 및 V에서,
R16, R17, R18및 R19는 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고; e 및 f는 0 내지 3의 정수이고, g는 0 내지 4의 정수이고, h는 0 내지 2의 정수임).
화학식 II의 적합한 비스페놀은 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(비스페놀 A); 2,2-비스(3-클로로-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-브로모-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-3-이소프로필페닐)프로판; 2,2-비스(3-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-페닐-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디클로로-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디브로모-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로판; 2,2-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로판; 2,2-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)프로판; 2,2-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)프로판; 2,2-비스(3-3급-부틸-5-클로로-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-브로모-5-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-클로로-5-페닐-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3-브로모-5-페닐-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디이소프로필-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(3,5-디페닐-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라클로로페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라브로모페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라메틸페닐)프로판; 2,2-비스(2,6-디클로로-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)프로판; 2,2-비스(2,6-디브로모-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)프로판; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-3-이소프로필페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-3급-부틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-페닐-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디클로로-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디브로모-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-메틸페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-메틸페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-3급-부틸-5-클로로-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-5-3급-부틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-5-페닐-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-5-페닐-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디이소프로필-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디-3급-부틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디페닐-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라클로로페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라브로모페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라메틸페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(2,6-디클로로-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(2,6-디브로모-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-3-이소프로필페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-3급-부틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-페닐-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디클로로-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디브로모-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-메틸페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-메틸페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-클로로-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-4-하이드록시-5-이소프로필페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-3급-부틸-5-클로로-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-5-3급-부틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 비스(3-클로로-5-페닐-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3-브로모-5-페닐-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디이소프로필-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디-3급-부틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(3,5-디페닐-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라클로로페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라브로모페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(4-하이드록시-2,3,5,6-테트라메틸페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(2,6-디클로로-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 1,1-비스(2,6-디브로모-3,5-디메틸-4-하이드록시페닐)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산; 4,4'-디하이드록시-1,1-비페닐; 4,4'-디하이드록시-3,3'-디메틸-1,1-비페닐; 4,4'-디하이드록시-3,3'-디옥틸-1,1-비페닐; 4,4'-디하이드록시디페닐에테르; 4,4'-디하이드록시디페닐티오에테르; 1,3-비스(2-(4-하이드록시페닐)-2-프로필)벤젠; 1,3-비스(2-(4-하이드록시-3-메틸페닐)-2-프로필)벤젠; 1,4-비스(2-(4-하이드록시페닐)-2-프로필)벤젠 및 1,4-비스(2-(4-하이드록시-3-메틸페닐)-2-프로필)벤젠에 의해 예시된다.
화학식 III의 적합한 디하이드록시 벤젠은 하이드록시퀴논, 레조르시놀, 메틸하이드로퀴논, 페닐하이드로퀴논, 4-페닐레조르시놀 및 4-메틸레조르시놀에 의해 예시된다.
화학식 IV의 적합한 나프탈렌은 2,6-디하이드록시 나프탈렌; 2,6-디하이드록시-3-메틸 나프탈렌; 및 2,6-디하이드록시-3-페닐 나프탈렌에 의해 예시된다.
화학식 V의 적합한 나프탈렌은 1,4-디하이드록시 나프탈렌; 1,4-디하이드록시-2-메틸 나프탈렌; 1,4-디하이드록시-2-페닐 나프탈렌 및 1,3-디하이드록시 나프탈렌에 의해 예시된다.
본 발명의 방법에 사용된 촉매는 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원 하나 이상 및 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물 하나 이상을 포함하는데, 상기 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원은 혼합물에서 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8몰의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 양으로 존재한다.
4급 암모늄 화합물은 하기 화학식 VI의 구조를 갖는 유기 암모늄 화합물들의 군에서 선택된다:
상기 식에서,
R20내지 R23은 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고,
X-는 유기 또는 무기 음이온이다. 본 발명의 한 실시태양에서, 음이온 X-는 하이드록사이드, 할라이드, 카복실레이트, 설포네이트, 설페이트, 포르메이트, 카보네이트 및 비카보네이트로 구성된 군에서 선택된다.
화학식 VI의 구조를 포함하는 적당한 유기 암모늄 화합물은 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드, 테트라부틸 암모늄 하이드록사이드, 테트라메틸 암모늄 아세테이트, 테트라메틸 암모늄 포르메이트 및 테트라부틸 암모늄 아세테이트에 의해 예시된다.
4급 포스포늄 화합물은 하기 화학식 VII의 구조를 갖는 유기 포스포늄 화합물들의 군에서 선택된다:
상기 식에서,
R24내지 R27은 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고,
X-는 유기 또는 무기 음이온이다. 본 발명의 한 실시태양에서, 음이온 X-는 하이드록사이드, 할라이드, 카복실레이트, 설포네이트, 설페이트, 포르메이트, 카보네이트 및 비카보네이트로 구성된 군에서 선택된다.
화학식 VII의 구조를 포함하는 적당한 유기 포스포늄 화합물은 테트라메틸 포스포늄 하이드록사이드, 테트라메틸 포스포늄 아세테이트, 테트라메틸 포스포늄 포르메이트, 테트라부틸 포스포늄 하이드록사이드, 및 테트라부틸 포스포늄 아세테이트에 의해 예시된다.
X-가 카보네이트 또는 설페이트 같은 다가 음이온인 경우에는, 화학식 VI 및 VII의 구조 내에 있는 양전하 및 음전하가 적절히 균형을 이루는 것으로 생각된다.예를 들어, 화학식 VII의 구조에서 R20내지 R23이 각각 메틸기이고 X-가 카보네이트인 경우에는, X-가 1/2(CO3 -2)를 나타내는 것으로 이해된다.
적당한 알칼리 토금속 이온 공급원은 알칼리 토금속 하이드록사이드, 예를 들면 수산화 마그네슘 및 수산화 칼슘을 포함한다. 적당한 알칼리 금속 이온 공급원은 알칼리 금속 하이드록사이드, 예를 들면 수산화 마그네슘 및 수산화 칼슘을 포함한다. 다른 알칼리 토금속 이온 및 알칼리 금속 이온 공급원은 나트륨 아세테이트와 같은 카복실산의 염 및 EDTA 테트라나트륨 염과 EDTA 마그네슘 디나트륨 염과 같은 에틸렌 디아민 테트라에세트산(EDTA)의 유도체를 포함한다.
본 발명의 방법에서, 화학식 I의 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트, 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물 및 촉매는 용융 중합을 수행하기에 적당한 반응기에서 접촉된다. 화학식 I의 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트, 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물의 상대적인 양은 디하이드록시 방향족 화합물에 대한 화학식 I의 카보네이트의 몰비가 약 1.20 내지 약 0.8, 바람직하게는 약 1.10 내지 약 0.9, 보다 바람직하게는 약 1.05 내지 약 1.01이다.
사용된 촉매의 양은, 반응 혼합물에 존재하는 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 양이 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8, 바람직하게는 약 5 x 10-5내지 약 1 x 10-7, 더더욱 바람직하게는 약 5 x 10-5내지 약 5 x 10-7몰의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온이 되도록하는 양이다. 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물은 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 2.5 x 10-3내지 약 1 x 10-6에 상응하는 양으로 사용되었다.
전형적으로 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트, 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물 및 촉매는 디하이드록시 방향족 화합물과 디아릴 카보네이트의 비제어되는 용융 중합에서 관찰되는 트랜스에스테르화 및 프리스 반응 모두를 촉매화시킬 수 있는 일정하지 않은 오염원을 제거하기 위해 처리된 반응기에서 조합된다. 유리선이 있는 반응기의 벽에 달라 붙는 나트륨 이온과 같은 오염원이 통상적이고 이는 온화한 산, 예를 들면 보통 염산에 반응기를 집어 넣은 후, 산을 제거하고 고순도의 물, 예를 들면 탈이온수에 반응기를 넣어 제거될 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에서, 비스-메틸 살리실 카보네이트와 같은 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트는 하나 이상의 BPA와 같은 디하이드록시 방향족 화합물, 및 수산화 나트륨 같은 알칼리 금속 이온, 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드와 같은 4급 암모늄 화합물 또는 테트라부틸 포스포늄 아세테이트와 같은 4급 포스포늄 화합물을 함유하는 촉매를 반응기에 충진시키고 반응기를 질소 또는 헬륨과 같은 불활성 기체로 정화시킨다. 그 후 약 100℃ 내지 약 340℃, 바람직하게는 약 약 100℃ 내지 약 280℃, 더더욱 바람직하게는 약 140℃ 내지 약 240℃의 온도로 약 0.25 내지 약 5 시간, 바람직하게는 약 0.25 내지 약 2 시간, 더더욱 바람직하게는 약 0.25 내지 약 1.25 시간 동안 반응기를 가열한다. 반응 혼합물이 가열되는 동안, 반응 혼합물에 대한 압력을 점진적으로 주변 압력으로부터 약 0.001 mmHg 내지 약 400 mmHg, 바람직하게는 약 0.01 mmHg 내지 약 100 mmHg, 더더욱 바람직하게는 약 0.1 mmHg 내지 약 10 mmHg의 범위의 최종 압력으로 감소시킨다.
반응 혼합물에 대한 압력의 조절은 페놀성 부산물, 예를 들면 비스-메틸 살리실 카보네이트를 방출 또는 메틸 살리실기에 의해 말단 캡핑된 중합체 사슬을 성장시킬 수 있는 종과 디하이드록시 방향족 화합물이 트랜스에스테르화를 하는 동안 순차적으로 형성된 페놀성 부산물의 제거를 가능케 한다. 상술한 바와 같이, 반응은 주변 압력 이하에서 수행될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 반응은 약간 상승된 압력, 예를 들면 약 1 내지 약 2 기압의 압력에서 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이, 과량의 촉매를 사용하는 것은 용융 중합 조건 하에서 제조된 폴리카보네이트의 구조 및 특성에 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 본 발명은 매우 낮은 촉매 농도에서 유용한 반응 속도를 제공하여 생성물 폴리카보네이트에 잔류하는 촉매 잔류물을 최소화시키는, 하나 이상의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원, 및 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 매우 효과적인 촉매 시스템을 이용하는 용융 중합 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 따라 사용된 촉매의 양을 제한하는 것은 생성물 폴리카보네이트의 구조적 완전성을 제어하는 신규하고 유용한 수단을 제공한다. 따라서, 본 발명의 방법은 겔 투과 크로마토그래피에 의해 측정할 때 약 10,000 내지 약 100,000달톤, 바람직하게는 약 15,000 내지 약 60,000달톤, 더더욱 바람직하게는 약 15,000 내지 약 50,000달톤의 중량 평균 분자량을 갖는 생성물 폴리카보네이트를 제공하고; 상기 중합체 폴리카보네이트는 약 1000 미만, 바람직하게는 약 500 미만, 더더욱 바람직하게는 약 100ppm 미만의 프리스 생성물을 갖는다. 하기 화학식 VIII의 구조는 비스페놀 A로부터 제조된 폴리카보네이트에 존재하는 프리스 생성물 구조를 예시한다:
상기한 바와 같이, 프리스 생성물은 중합체 분지 부위로서의 역할을 할 수 있으며, 화학식 VIII의 구조에서 파선은 중합체 쇄 구조를 나타낸다.
매우 낮은 수준의 프리스 생성물만을 함유하는 생성물 폴리카보네이트를 제공하는 것 외에도, 본 발명의 방법은, 화학식 I의 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물 사이의 용융 중합 반응 동안 일어나는 부반응으로부터 발생된 다른 바람직하지 못한 구조적 특징을 매우 낮은 수준으로 함유하는 폴리카보네이트를 제공한다. 이런 바람직하지 못한 구조적 특성은 화학식 IX의 구조를 갖고 내부 에스테르-카보네이트 결합이라 한다:
화학식 IX는 에스테르-치환된 페놀 부산물, 예를 들면 메틸 살리실레이트가 이것의 에스테르 카보닐기에서 디하이드록시 방향족 화합물 또는 성장하는 중합체 사슬의 하이드록시기와 반응하여 발생하는 것으로 여겨진다. 에스테르-치환된 페놀성 하이드록시기의 추가적 반응은 카보네이트 결합을 형성시킨다. 따라서, 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트와 디하이드록시 방향족 화합물의 반응의 에스테르-치환된 페놀 부산물은 선형 폴리카보네이트의 주사슬로 혼입될 수 있다. 폴리카보네이트 중합체 사슬에서의 에스테르 카보네이트 결합의 비제어된 양의 존재는 바람직하지 않다.
에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물 사이의 용융 중합 반응에 존재하는 다른 바람직하지 못한 구조적 특성은 유리 하이드록시기를 갖는 화학식 X의 구조를 갖는 에스테르 결합된 말단기이다:
화학식 X는 화학식 IX와 같은 방식이지만, 에스테르-치환된 페놀성 하이드록시기의 추가적 반응 없이 발생되는 것으로 여겨진다. 화학식 X의 구조와 같은 하이드록시 말단기의 비제어된 양의 존재는 바람직하지 않다. 화학식 VIII, IX 및 X의 구조에서 파선, 즉은 생성물 폴리카보네이트 중합체 사슬 구조를 의미한다.
에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물의 용융 중합을 초래하는 공지된 방법과 매우 대조적으로 본 발명은 용융 중합 과정에서 화학식 IX의 구조를 갖는 내부 에스테르-카보네이트 및 화학식 X의 구조를 갖는 에스테르 결합된 말단기의 형성을 제한하는 수단을 제공한다. 따라서, 본 발명의 방법을 이용하여 제조된 생성물 폴리카보네이트에서, 화학식 IX의 구조 및 화학식 X의 구조가 존재하는 경우에는 중합 합성용 출발 물질로 이용된 디하이드록시 방향족 화합물로부터 유도된 생성물 중합체에 존재하는 모든 구조 단위의 총 량 중 1 몰% 미만으로 존재한다.
에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물의 용융 중합의 선행 방법에 비해 본 발명의 방법의 또 다른 장점은 생성물 중합체가 에스테르-치환된 페녹시 말단기로 말단 캡핑되고, 유리 하이드록시기를 갖는 중합체 사슬 말단을 매우 낮은 수준, 약 50% 미만, 바람직하게는 약 10% 미만, 및 보다 바람직하게는 약 1% 미만으로 함유한다는 사실에 기인한다. 에스테르 치환된 말단기는 충분히 p-큐밀페놀과 같은 다른 페놀에 의해 이들을 치환하기에 충분한 반응성이 있다. 따라서, 용융 중합 후에, 생성물 폴리카보네이트는 하나 이상의 외인성 페놀로 처리되어 외인성 페놀로부터 유도된 말단기를 혼입하는 폴리카보네이트를 제공한다. 에스테르 치환된 말단기와 외인성 페놀의 반응은 제 1 형성된 중합체 용융물에서 또는 개별적인 단계에서 수행될 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에서, 외인성 일작용성(monofunctional) 페놀, 예를 들면 p-쿠밀페놀은 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물 사이의 반응을 개시하는 시점에서 첨가된다. 그 후, 생성물 폴리카보네이트는 외인성 일작용성 페놀로부터 유도된 말단기를 함유한다. 외인성 일작용성 페놀은 생성물 폴리카보네이트의 분자량을 조절하고, 중합체 말단기의 종류(identity)를 결정하는 역할을 한다. 외인성 일작용성 페놀은 중합에 이용된 디하이드록시 방향족 화합물의 총 몰 수를 기준으로 약 0.1 내지 약 10 몰%, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 0.8 몰% 및 보다 바람직하게는 약 1 내지 6 몰%의 양으로 첨가될 수 있다. 중합 반응을 일으키기 위해 첨가된 촉매적 효과량은 별도로 하고 추가적인 촉매는 필요하지 않다. 적당한 외인성 일작용성 페놀은 p-쿠밀페놀; 2,6-크실레놀; 4-3급-부틸페놀; p-크레졸; 1-나프톨; 2-나프톨; 카다놀; 3,5-디-3급-부틸페놀, p-노닐페놀; p-옥타데실페놀; 및 페놀을 포함한다. 본 발명의 다른 실시태양에서는, 중합의 중간 단계에서 또는 중합 완결 후에 외인성 일작용성 페놀을 첨가할 수 있다. 이러한 다른 실시태양에서, 외인성 페놀은 생성물 폴리카보네이트의 분자량에 대해 조절 효과를 나타낼 수 있으며, 중합체 말단기의 종류를 조절하게 된다.
본 발명은 매우 낮은 수준(1 ppm 미만)의 극소량 오염원, 예를 들면, 철, 염소 이온, 및 나트륨 이온을 갖는 폴리카보네이트 생성물을 제조하는데 이용될 수 있다. 이런 극도로 낮은 수준의 극소량 오염원이 바람직한 경우, 대응하게 문제의 극소량 오염원을 갖는 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트 및 디하이드록시 방향족 화합물을 출발 물질로 이용하여 발명을 실시하기에 충분하다. 예를 들면, 철, 염소 이온 및 나트륨 이온 각각을 1 ppm 미만으로 함유하는 비스페놀 A 폴리카보네이트는, 철, 염소 이온 및 나트륨 이온 각각을 1 ppm 미만으로 함유하는 비스-메틸 살리실 카보네이트 및 비스페놀 A를 출발 물질로 이용하는 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 방법은 배치 또는 연속 공정으로 수행될 수 있다. 본 발명의 임의의 목적하는 장치를 본 반응에 이용할 수 있다. 반응기가 통상의 교반 능력을 갖고 있고, 일정하지 않는 촉매의 존재를 제어할 수 있는 한, 본 발명에 사용되는 물질 및 반응기의 구조는 특별히 한정되지는 않는다. 이후 단계의 반응에서 반응계의 점성이 증가됨에 따라, 반응기는 고점성도 조건에서 교반할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법을 이용하여 제조된 폴리카보네이트는 열 안정화제, 이형제 및 UV 안정화제 같은 통상적인 첨가제와 블렌딩될 수 있으며, 광학 디스크, 광학 렌즈, 자동차 램프 구성요소 등과 같은 다양한 성형품으로 성형될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법을 이용하여 제조된 폴리카보네이트는 다른 중합체 물질, 예컨대 다른 폴리카보네이트, 폴리에스테르카보네이트, 폴리에스테르 및 ABS 같은 올레핀 중합체와 블렌딩될 수 있다.
하기 실시예는 당해 분야의 숙련자에게 본원에 청구된 방법을 평가하는 상세한 방법을 제공하기 위하여 기재된 것으로, 본 발명의 발명자들이 본 발명으로서 간주하는 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 달리 표시되지 않는 한, 부는 중량 기준이고, 온도는 ℃이다.
분자량은 수 평균(Mn) 또는 중량 평균(Mw) 분자량으로서 기록되며, 광범위한 표준 측정 곡선(이에 기초하여 중합체 분자량을 결정함)을 작성하기 위하여 폴리카보네이트 분자량 기준물을 사용하는 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 분석에 의해 결정하였다. 겔 투과 칼럼의 온도는 약 25℃였으며, 이동상은 클로로포름이었다.
수지의 KOH 가메탄올분해에 의해 프리스 함량을 측정하였으며, ppm으로 기록한다. 표 1에 열거된 폴리카보네이트의 프리스 생성물 함량은 다음과 같이 결정하였다. 먼저, 폴리카보네이트 0.50g을 THF(내부 기준물로서 p-터페닐을 함유함) 4.0ml에 용해시켰다. 이어, 메탄올중 18% KOH 3.0ml를 이 용액에 첨가하였다. 생성된 혼합물을 이 온도에서 2시간동안 교반하였다. 이어, 아세트산 1.0ml를 첨가하고, 혼합물을 5분간 교반하였다. 1시간동안에 걸쳐 아세트산칼륨 부산물을 결정화시켰다. 고체를 여과해내고, 내부 기준물로서 p-터페닐을 사용하는 액체 크로마토그래피에 의해 생성된 여액을 분석하였다.
내부 에스테르-카보네이트 및 말단 하이드록시-에스테르기를 각각13C- 및31P-NMR로 측정하였다. 말단 하이드록시 에스테르기를 먼저 2-클로로-1,3,2-디옥사폴란(알드리치(Aldrich))으로 유도하였다.
진공 하 증류에 적합하게 한, 고체 니켈 나선 교반기가 구비된 100 mL 유리 반응기에서 용융 중합 반응을 수행하였다. 부산물 페놀 또는 메틸 살리실레이트를 반응 용기에서 증류시켜 내고 냉각 수용기에서 응축될 수 있게 반응기의 구조를 만들었다. 이용하기 이전에, 반응기를 3 N HCl에 12 시간 동안 담근 후, 추가적 12 시간 동안 이온수(18-Mohm)에 담그고, 건조 오븐에 하루 밤동안 놓았다. PID 온도 조절기가 구비된 용액화된 모래 배쓰(fluidized sand bath)로 반응기를 침지시켜 반응 온도를 조절하였다. 반응기 모래 배쓰 계면에서 모래 배쓰의 온도를 모니터링하였다. 질소분출기(bleed)에 연결된 진공 펌프를 이용해 반응 용기의 압력을 조절하였다. 반응기 내의 압력을 MKS 피라니 게이지로 측정하였다. 수산화 나트륨(베이커(J.T.Baker), 1 몰의 비스페놀 A 당 1 x 10-6몰) 및 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(사켐(Sachem), 1 몰의 비스페놀 A 당 2.5 x 10-4몰) 또는 테트라부틸 포스포늄 아세테이트(사켐(Sachem), 1 몰의 비스페놀 A 당 2.5 x 10-4몰)를 용액으로서 탈이온수(18 Mohm)에 첨가했다. 촉매 수준이 변하는 경우, 촉매 용액의 농도를 조정하여, 촉매 유입 단계에서 도입되는 물의 체적을 일정하게 유지했다.
실시예 1-3 및 비교 실시예 1-4
반응기를 주변 온도 및 가압 하에서 고체 비스페놀 A(제너럴 일렉트릭 플라스틱스 재팬 주식회사(General Electric Plastics Japan Ltd.), 0.08761 몰) 및 고체 메틸 살리실 카보네이트(0.0880 내지 0.0916 몰) 또는 고체 디페닐 카보네이트(제너럴 일렉트릭 플라스틱스 재팬 주식회사, 0.0946 몰)로 충진시켰다. 일부 경우, p-쿠밀페놀과 같은 일작용성 페놀(0.0027 내지 0.0088 몰)을 중합체의 분자량을 제한하고 사슬 말단 종류를 조절하기 위해 첨가하였다. 그 후, 촉매를 비스페놀 A 층으로 주입하고 반응기를 조립하였다. 그 후, 반응기를 잠깐 배기시키고 질소를 재도입시켰다. 이 단계를 3회 반복하였다. 그 후 반응기를 180℃로 유지된 모래 배쓰로 하강시켰다. 5 분 후, 250 rpm으로 교반을 시작하였다. 총 10 분이 경과한 후, 반응 혼합물이 전부 용융되었다. 배쓰의 온도를 5 분에 걸쳐 210℃로 올렸다. 그 후 반응기 내의 압력을 페놀성 부산물이 반응 용기로부터 수용기로 증류되기 시작할 때 180 mmHg로 감소시켰다. 반응 혼합물을 20분간 210℃ 및 180 mmHg로 유지시켰다. 그 후, 압력을 100 mmHg로 낮추고, 추가적으로 20분간 교반한 후, 온도를 5 분에 걸쳐 240℃로 올렸다. 그 다음, 압력을 15 mmHg로 낮추고, 반응 혼합물을 20분간 240℃, 15 mmHg에서 교반하였다. 그 다음, 온도를 5 분에 걸쳐 270℃로 올린 후, 압력을 2 mmHg로 하강시켰다. 반응 혼합물을 270℃, 2 mmHg에서 10 분간 교반하였다. 그 다음, 10 분에 걸쳐 온도를 310℃로 올리고 압력을 1.1 mmHg로 낮추었다. 반응 혼합물을 310℃, 1.1 mmHg에서 30 분간 교반한 후, 반응 용기를 모래 배쓰로부터 꺼내어, 반응을 켄칭(quenching)시키기 위해 용융 생성물 중합체를 반응 용기로부터 질소액 배쓰로 떠 옮겼다.
실시예 1 내지 3 및 비교 실시예 1 내지 5를 표 1에 기술하였고, 이는 본 발명의 방법의 유용성을 보여준다. 비교 실시예 1 내지 5 및 실시예 1 내지 3에서, 사슬 종결제(chainstopper)로서 p-쿠밀페놀을 첨가하지 않았다. 컬럼에서 "DAC"는 디아릴 카보네이트가 사용된 것을 의미한다. "DPC"는 비교 실시예 1(CE-1)에서 사용된 디페닐 카보네이트이다. "BMSC"는 비스-메틸 살리실 카보네이트이다. "DAC/BPA"는 반응에 사용된 비스페놀 A에 대한 디아릴 카보네이트의 초기 몰 비를나타낸다. "Mn"은 생성물 중합체의 수 평균 분자량을 의미한다. "프리스 수준"은 생성물 중합체에 존재하는 프리스 전위 생성물의 농도를 의미한다. 프리스 수준을 생성물 중합체의 가용매분해(solvolysis)(KOH 촉매화 가메탄올 분해)를 완결시켜 측정하고, 프리스 생성물인 2-카복시비스페놀 A(CAS 제 101949-49-9 호)를 HPLC로 정량적 측정을 하였다. "EC(%)"는 하이드록실기로 종결되지 않는 중합체 사슬 말단의 백분율을 나타낸다. 생성물 가용매분해 후에 페놀 및 살리실 말단기를 HPLC 분석으로 측정하였다.
1촉매는 BPA 1 몰 당 1 x 10-6몰의 NaOH이었다.2촉매는 BPA 1 몰 당 2.5 x 10-4몰의 테트라부틸포스포늄 아세테이트이었다.3촉매는 BPA 1 몰 당 1 x 10-3몰의 리튬 스테아레이트이었다.
비교 실시예 1에서는 비스페놀 A와의 반응에서 DPC 및 BMSC의 용융 중합 행태 사이의 차이가 컸다. BMSC(실시예 1)을 이용한 용융 중합은 감지할 수 없는 수준의 프리스 생성물 및 매우 높은 수준의 말단 캡핑을 제공한 반면, 실시예 1과 동일 촉매를 이용하여 동일 조건 하에서 DPC를 이용한 용융 중합은 높은 수준(946 ppm)의 프리스 생성물 및 매우 낮은 말단 캡핑 수준을 초래했다. 실시예 1 내지 3은, 감지할 수 없는 수준의 프리스 생성물 및 매우 높은 말단 캡핑 수준을 갖는 폴리카보네이트를 제공하는 본 발명의 방법에 따른 BPA와 BMSC의 용융 중합을 보여주는 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 촉매는 하나 이상의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원 및 하나 이상의 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 비교 실시예 2 및 3은 이런 요건을 설명한다. 비교 실시예 2에서, 알칼리 금속 이온 공급원인 NaOH는 존재하지만, 4급 암모늄 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물은 존재하지 않는다. 비교 실시예 3에서, 4급 포스포늄 화합물인 테트라 부틸 포스포늄 아세테이트는 존재하지만, 알칼리 금속 이온 공급원은 존재하지 않는다. 이 두 경우에서 감지가능한 수준의 프리스 생성물이 관찰되었다.
표 1의 테이터는 BMSC를 이용한 선행 중합 방법에 비해 본 발명의 우수성을 추가로 설명한다. 비교 실시예 4 및 5는 미국 특허 제 4,323,668 호에 교시된 BPA 1 몰 당 1 x10-3몰의 리튬 스테아레이트를 사용할 때의 효과를 보여 준다. 비교 실시예 4를 실시예 1 내지 3에서 이용된 프로토콜을 이용하여 수행하고 생성물 폴리카보네이트는 매우 높은 수준의 분지화가 일어나서 그의 분자량을 측정할 수 없는 높은 수준의 프리스 생성물을 보였다. 겔 투과 크로마토그래피에 대해서 용해될 수 없는 겔로 생성물 카보네이트를 회수하였다. 비교 실시예 5를 실시예 1 내지 3 및 비교 실시예 1 내지 4에서 이용된 온도보다 온화한 온도 체계(최대 온도는 260℃이었다. 하기 참조) 하에서 수행하였지만, 생성물 중합체는 상당량의 프리스 생성물(98 ppm)을 함유했다.
실시예 4 및 5 및 비교 실시예 6 및 7
상기에 기술된 바와 같이 구비되고 부동태화된 반응기를 주변 온도 및 압력에서 고체 비스페놀 A(제너럴 일렉트릭 플라스틱스 제펜 주식회사, 0.100 몰) 및 고체 비스-메틸 살리실 카보네이트(0.100 몰)로 충진시켰다. 고체 리튬 스테아레이트 촉매(코닥, 비스페놀 A 1 몰 당 1 x 10-3몰)을 첨가하고 반응기를 조립하였다. 반응기를 잠깐 배기시키고 질소를 재도입시켰다. 탈가스화 단계를 3 회 반복하였다. 그 다음, 반응기를 150℃로 유지된 모래 배쓰로 하강시켰다. 5 분 후, 250 rpm으로 교반을 시작하였다. 이런 조건을 60 분 간 유지시켰다. 배쓰의 온도를 260℃로 올렸다. 그 후 메틸 살리실레이트 부산물이 반응 용기로부터 수용기로 증류될 때 반응기 내의 압력을 10 mmHg로 감소시켰다. 반응 혼합물을 10분간 260℃ 및 10 mmHg로 유지시킨 후, 반응 용기를 모래 배쓰로부터 꺼내어, 반응을 켄칭시키기 위해 용융 생성물 중합체를 반응 용기로부터 질소액 배쓰로 떠 옮겼다. 생성물 카보네이트를 겔 투과 크로마토그래피로 동정하여, Mw= 14353, Mn= 5910을 갖고 있음을 확인하였다. 프리스 생성물의 수준은 98 ppm으로 측정되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르는 비스페놀과 에스테르-치환된 디아릴 카보네이트의 용융 반응에서 p-쿠밀페놀과 같은 외인성 페놀을 포함시켜 p-쿠밀페놀 말단기를 함유하는 폴리카보네이트를 제공할 수 있음을 알 수 있었다. 데이터는 표 2에 수집되었는데, 이는 디페닐 카보네이트(DPC)를 이용한 유사 반응에 대해서 본 전환이 놀라운 효율성을 보이는 것을 증명한다. 비교 실시예 7은, 비스페놀, DPC 및 말단 캡핑제인 p-쿠밀페놀(PCP)의 혼합물이 용융물에서 반응될 때, 생성물 폴리카보네이트에서의 낮은 수준의 PCP 혼입이 생긴다는 것을 보여준다. 역으로, 본 발명의 방법을 이용하여 수행되는 실시예 5는 높은 수준의 PCP 혼입을 보여준다. 비교 실시예 7에서 생성된 폴리카보네이트 생성물에서, NMR에 의해 말단기의 약 반이 PCP로부터 유도되고, 반은 페놀로부터 유도된다는 것을 알아냈다.
본 발명의 바람직한 실시태양을 구체적으로 참조하여 본 발명을 상세하게 기재하였지만, 당해 분야의 숙련자는 본 발명의 원리 및 영역 내에서 변화 및 변형을 이룰 수 있음을 알게 될 것이다.
Claims (38)
- 촉매, 화학식 I의 구조를 갖는 하나 이상의 디아릴 카보네이트 및 하나 이상의 디하이드록시 방향족 화합물을 포함하는 혼합물을 가열하는 것을 포함하며,상기 촉매는 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원 하나 이상 및 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물 하나 이상을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 공급원은 혼합물에서 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8몰의 알칼리 토금속 이온 또는 알칼리 금속 이온의 양으로 존재하고, 상기 4급 암모늄 화합물, 4급 포스포늄 화합물 또는 이들의 혼합물은 사용된 디하이드록시 방향족 화합물 1 몰 당 약 2.5 x 10-3내지 약 1 x 10-6몰의 양으로 존재하는 폴리카보네이트의 제조 방법:화학식 I상기 식에서,R1및 R2는 각각 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20방향족 라디칼이고,R3및 R4는 각각 독립적으로 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼, C4-C20방향족 라디칼, C1-C20알콕시 라디칼, C4-C20사이클로알콕시 라디칼, C4-C20아릴옥시 라디칼, C1-C20알킬티오 라디칼, C4-C20사이클로알킬티오 라디칼, C4-C20아릴티오 라디칼, C1-C20알킬설피닐 라디칼, C4-C20사이클로알킬설피닐 라디칼, C4-C20아릴설피닐 라디칼, C1-C20알킬설포닐 라디칼, C4-C20사이클로알킬설포닐 라디칼, C4-C20아릴설포닐 라디칼, C1-C20알콕시카보닐 라디칼, C4-C20사이클로알콕시카보닐 라디칼, C4-C20아릴옥시카보닐 라디칼, C2-C60알킬아미노 라디칼, C6-C60사이클로알킬아미노 라디칼, C5-C60아릴아미노 라디칼, C1-C40알킬아미노카보닐 라디칼, C4-C40사이클로알킬아미노카보닐 라디칼, C4-C40아릴아미노카보닐 라디칼 및 C1-C20아실아미노 라디칼이고,b 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 4의 정수임.
- 제 1 항에 있어서,디하이드록시 방향족 화합물은 하기 화학식 II의 구조를 갖는 비스페놀, 화학식III의 구조를 갖는 디하이드록시 벤젠 및 화학식 IV 및 화학식 V의 구조를 같은 디하이드록시 나프탈렌으로 구성된 군에서 선택되는 방법:화학식 II(상기 식에서,R5내지 R12는 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C6-C20아릴 라디칼이고,W는 단일 결합, 산소 원자, 황 원자, SO2기, C6-C20방향족 라디칼, C6-C20지환족 라디칼 또는 기이고,R13및 R14는 독립적으로 수소 원자, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이거나, 또는 R13과 R14는 함께 하나 이상의 C1-C20알킬, C6-C20아릴, C5-C21아르알킬, C5-C20사이클로알킬기 또는 이들의 조합에 의해 임의적으로 치환되는 C4-C20지환족 고리를 형성함);화학식 III(상기 식에서,R15는 독립적으로 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C6-C20아릴 라디칼이고, d는 0 내지 4의 정수임);화학식 IV화학식 V(상기 화학식 IV 및 화학식 V에서,R16, R17, R18및 R19는 독립적으로 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C6-C20아릴 라디칼이고; e 및 f는 0 내지 3의 정수이고, g는 0 내지 4의 정수이고, h는 0 내지 2의 정수임).
- 제 1 항에 있어서,4급 암모늄 화합물이 화학식 VI의 구조를 포함하는 방법:화학식 VI(상기 식에서, R20내지 R23은 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고,X-는 유기 또는 무기 음이온이다.
- 제 3 항에 있어서,R20내지 R23이 독립적으로 C1내지 C5알킬인 방법.
- 제 4 항에 있어서,R20내지 R23이 각각 메틸 라디칼인 방법.
- 제 2 항에 있어서,음이온이 하이드록사이드, 할라이드, 카복실레이트, 설포네이트, 설페이트, 카보네이트, 및 비카보네이트로 구성된 군에서 선택되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,4급 암모늄 화합물이 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드인 방법.
- 제 1 항에 있어서,포스포늄 화합물이 화학식 VII의 구조를 포함하는 방법:화학식 VII상기 식에서,R24내지 R27은 독립적으로 C1-C20알킬 라디칼, C4-C20사이클로알킬 라디칼 또는 C4-C20아릴 라디칼이고,X-는 유기 또는 무기 음이온이다.
- 제 8 항에 있어서,R24내지 R27이 독립적으로 C1내지 C5알킬인 방법.
- 제 9 항에 있어서,R24내지 R27이 각각 메틸 라디칼인 방법.
- 제 8 항에 있어서,음이온이 하이드록사이드, 할라이드, 카복실레이트, 설포네이트, 설페이트, 카보네이트, 및 비카보네이트로 구성된 군에서 선택되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,4급 포스포늄 화합물이 테트라부틸 포스포늄 아세테이트인 방법.
- 제 1 항에 있어서,알칼리 토금속 또는 알칼리 금속 이온의 공급원이 알칼리 금속 하이드록사이드, 알칼리 토금속 하이드록사이드 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제 13 항에 있어서,알칼리 금속 하이드록사이드가 리튬 하이드록사이드, 나트륨 하이드록사이드, 칼륨 하이드록사이드 또는 이들의 혼합물인 방법.
- 제 1 항에 있어서,알칼리 토금속 또는 알칼리 금속 이온의 공급원이 EDTA의 염인 방법.
- 제 15 항에 있어서,EDTA의 염이 EDTA 마그네슘 디나트륨(disodium) 염인 방법.
- 제 1 항에 있어서,혼합물을 약 100℃ 내지 약 340℃의 온도로 가열하는 방법.
- 제 17 항에 있어서,혼합물을 약 100℃ 내지 약 280℃의 온도로 가열하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,혼합물을 약 140℃ 내지 약 240℃의 온도로 가열하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,혼합물을 주변 압력 이하의 압력에서 가열하는 방법.
- 제 20 항에 있어서,압력이 약 0.00001 내지 약 0.9 기압인 방법.
- 제 1 항에 있어서,혼합물을 주변 압력에서 또는 주변 압력 이상의 압력에서 가열하는 방법.
- 제 22 항에 있어서,압력이 약 1 내지 약 2 기압인 방법.
- 제 1 항에 있어서,화학식 I의 디아릴 카보네이트가 비스-메틸 살리실 카보네이트인 방법.
- 제 24 항에 있어서,말단기가 메틸 살리실레이트에서 유도되는 방법.
- 제 2 항에 있어서,화학식 II의 비스페놀이 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(비스페놀 A); 비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)사이클로헥산; 2,2-비스(4-하이드록시-3-메틸페닐)프로판; 비스(4-하이드록시페닐)메탄; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)에탄; 2,2-비스(4-하이드록시페닐)부탄; 2,2-비스(4-하이드록시페닐)옥탄; 2,2-비스(4-하이드록시-3-3급-부틸페닐)프로판; 1,1-비스(4-하이드록시-3-이급-부틸페닐)프로판; 2,2-비스(4-하이드록시-3-브로모페닐)프로판; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로펜탄; 1,1-비스(4-하이드록시페닐)사이클로헥산; 및 4,4'-디하이드록시디페닐 에테르로 구성된 군에서 선택되는 방법.
- 제 26 항에 있어서,화학식 II의 비스페놀이 비스페놀 A인 방법.
- 제 1 항에 있어서,혼합물이 하나 이상의 외인성 일작용성 페놀을 추가로 포함하는 방법.
- 제 28 항에 있어서,폴리카보네이트가 외인성 일작용성 페놀로부터 유도된 말단기를 포함하는 방법.
- 제 29 항에 있어서,말단기가 2,6-크실레놀, p-3급-부틸페놀, p-크레졸, 카다놀, p-쿠밀페놀, p-노닐페놀, p-옥타데실페놀, 1-나프톨, 및 2-나프톨로 구성된 군에서 선택된 일작용성 페놀로부터 유도되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,디하이드록시 방향족 화합물이 나트륨 이온, 철 및 염화물 각각을 1.0 ppm 미만으로 함유하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,폴리카보네이트가 나트륨 이온, 철 및 염화물 각각을 1.0 ppm 미만으로 함유하는 방법.
- 제 32 항의 방법으로 제조된 폴리카보네이트로부터 형성된 용융 제품.
- 약 140℃ 내지 240℃의 온도, 약 0.01 mmHg 내지 약 760 mmHg의 압력에서, 수산화 나트륨 및 4급 암모늄 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물의 존재 하에서, 약 0.8 내지 약 1.10 몰 당량의 비스-메틸 살리실 카보네이트와 비스페놀 A의 혼합물을 가열하는 것을 포함하며,상기 수산화 나트륨은 출발 물질인 비스페놀 A 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8몰의 수산화 나트륨의 양으로 존재하고, 상기 4급 암모늄 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물은 출발 물질인 비스페놀 A 1 몰 당 약 2.5 x 10-3내지 약 2.5 x 10-6몰의 양으로 존재하는 비스페놀 A 폴리카보네이트의 제조 방법.
- 제 34 항에 있어서,4급 암모늄 화합물이 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드인 방법.
- 제 34 항에 있어서,4급 포스포늄 화합물이 테트라부틸 포스포늄 아세테이트인 방법.
- 약 140℃ 내지 240℃의 온도, 약 0.01 mmHg 내지 약 760 mmHg의 압력에서, 수산화 나트륨 및 4급 암모늄 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물의 존재 하에서, 비스페놀 A와, 이 비스페놀 A를 기준으로 약 0.8 내지 약 1.10 몰 당량의 비스-메틸 살리실 카보네이트 및 사용된 비스페놀 A의 몰수를 기준으로 약 0.1 몰% 내지 10 몰%의 일작용성 페놀의 혼합물을 가열하는 것을 포함하며,상기 수산화 나트륨은 출발 물질인 비스페놀 A 1 몰 당 약 1 x 10-5내지 약 1 x 10-8몰의 수산화 나트륨의 양으로 존재하고, 상기 4급 암모늄 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물은 출발 물질인 비스페놀 A 1 몰 당 약 2.5 x 10-3내지 약 2.5 x 10-6몰의 양으로 존재하는 비스페놀 A 폴리카보네이트의 제조 방법.
- 제 35 항에 있어서,일작용성 페놀이 2,6-크실레놀, p-3급-부틸페놀, p-크레졸, 카다놀, p-쿠밀페놀, p-노닐페놀, p-옥타데실페놀, 1-나프톨, 및 2-나프톨을 포함하는 군에서 선택되는 방법.
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