TWI425015B - 核氫化芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之製法 - Google Patents

核氫化芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之製法 Download PDF

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Description

核氫化芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之製法
本發明係相關於一種在鈀催化劑的存在下,藉由使芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環進行氫化(核氫化)以製造氫化聚合物之製法。
近年,以丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、苯乙烯系樹脂、聚碳酸酯樹脂、環狀聚烯烴樹脂為首之非晶性塑膠,係使用於各種用途,特別是由於其光學特徵,大多使用為光學透鏡、光碟片基板等光學材料。該種光學材料不僅需求高透明性,亦需具備高耐熱性、低吸水性、機械物性等平衡佳之高度性能。
先前使用的材料並不具備所有的條件,各有需解決之問題點。例如聚苯乙烯具有力學性脆弱、雙折射大、透明性差等缺點。聚碳酸酯係耐熱性優異而雙折射大,透明性亦與聚苯乙烯幾乎相同。聚甲基丙烯酸甲酯雖透明性高,惟因吸水率非常高,故缺乏尺寸安定性且耐熱性低。使聚苯乙烯核氫化的聚乙烯環己烷係透明性優異,惟機械強度弱,缺乏耐熱安定性,亦缺乏與其他材料之黏合性(參考專利文獻1~3)。改良密合性之方法,例如將聚苯乙烯的核氫化物或使共軛二烯-聚苯乙烯的雙鍵及芳香環進行氫化者、或混合飽和烴樹脂之方法(參考專利文獻4),惟操作繁雜。又,使苯乙烯等乙烯芳香族化合物和馬來酸酐等不 飽和二元羧酸共聚後,使30%以上的芳香環核氫化之方法(參考專利文獻5),惟相較於聚苯乙烯,雖然其透明性及雙折射已改良,而相較於丙烯酸系樹脂,其光學特性較差。甲基丙烯酸甲酯(以下稱為MMA)和苯乙烯之共聚物(以下稱為MS樹脂)係具有高透明性,且尺寸安定性、剛性、比重等的平衡優異之樹脂,惟有雙折射大之問題。另一方面,使MS樹脂核氫化之樹脂(以下稱為MSH)係低雙折射、低吸水性,且透明性、耐熱性、機械物性、耐天候性、耐光性等的平衡優異(參考專利文獻6)。
已知芳香族聚合物之核氫化(參考專利文獻7),為製得高透明性樹脂,必須提高核氫化率,若非幾近100%之核氫化率,無法製得高透明性之樹脂。此乃因核氫化率低時,形成嵌化物而破壞全光線透過率。不僅芳香族聚合物,亦已知許多有關於共軛二烯聚合物等聚合物的氫化之例,主要使用將Pd、Pt、Rh、Ru、Re、Ni等金屬載持於活性碳或氧化鋁、二氧化矽、矽藻土等載體而成之物。惟,因為高分子量故不易於反應,難達高核氫化率或高反應速度,且因重覆反應,易造成催化劑活性降低。為改善此現象,而探討催化劑載體的種類或細孔結構或粒徑。例如使用載持於低於100μm的二氧化矽載體上之鈀載持催化劑,製得核氫化率70%左右的核氫化聚苯乙烯之方法(參考專利文獻1),或藉由載持於具有超過600Å大細孔的二氧化矽載體之鉑催化劑或銠催化劑,而得核氫化聚苯乙烯之方法(參考 專利文獻8)。相同地,使用將VIII族金屬載持於具有孔體積的95%以上為450Å的細孔的多孔質載體,且其金屬表面積佔載體表面積的75%以內之催化劑,壓低芳香族部位的氫化,使乙烯系不飽和部位高氫化率地進行氫化之方法(參考專利文獻9)。
又,載持於二氧化矽或氧化鋁之VIII族金屬,100~1000Å孔徑的孔容積為總孔容積的70~25%時,不降低分子量而使聚苯乙烯完全地氫化之文獻(參考專利文獻10),或在使VIII亞族金屬載持於二氧化矽、氧化鋁之載體者,於醚系的含氧烴的存在下,使用100~1000Å的孔容積低於15%的低分子量化合物之市售氫化催化劑時,可不降低分子量而使聚苯乙烯完全氫化(參考專利文獻11)。藉由載持於二氧化鈦或氧化鋯等IVa族元素的氧化物之金屬催化劑,而進行丙烯腈-丁二烯共聚物等的共軛二烯系之氫化反應,再使用時亦具有高活性,惟僅限於共軛二烯,未提及對芳香族的氫化(參考專利文獻12)。另一方面,於具有孔徑100~100000nm部分的孔容積佔整體的50~100%的大細孔容積之載體上,添加鹼金屬或鹼土類金屬後,使90%以上的白金屬成份由載體徑的外表面,於深度方向載持於載體徑的1/10以內之表層部,藉此,可有效地使含有芳香族-共軛二烯聚合物的芳香環之不飽和鍵氫化,亦可抑制金屬成份的溶出之方法(參考專利文獻13)。
又,使聚合反應液直接在以活性氧化鋁去除催化劑毒之 後進行反應,藉此改善反應性之方法(參考專利文獻14),或改善在該提高生產性的固定層之反應線速度之方法(參考專利文獻15)。
高分子反應時,核氫化反應受溶劑的影響亦大,一般而言,烴、醇、醚、酯等係使用為反應溶劑(參考專利文獻16)。惟,烴或醇係樹脂溶解度低,醚類中,例如1,4-二噁烷的燃點低,四氫呋喃則因易於發生開環反應而不安定。酯係安全且較安定,雖然可快速地進行反應,但由於核氫化率而引起樹脂之白濁化現象。又,揭示一種在酯中添加醇,可安全、安定且快速地製得透明性高的核氫化芳香族系聚合物之方法,惟併用2個溶劑系,其分離操作變得繁雜。尚揭示一種藉由在醚溶劑中添加醇或水,即使為低核氫化率仍可維持高透明性之方法(參考專利文獻17),惟其緣由尚不明確而使用範圍受限,故多有不適用之情形。
專利文獻1:特許第3094555號公報專利文獻2:特開2004-149549號公報專利文獻3:特開2003-138078公報專利文獻4:特許第2725402號公報專利文獻5:特公平7-94496公報專利文獻6:特開2006-89713號公報專利文獻7:西德專利第1131885號說明書專利文獻8:特表平11-504959公報專利文獻9:特許第3200057號公報 專利文獻10:特表2002-521509公報專利文獻11:特表2002-521508公報專利文獻12:特開平1-213306號公報專利文獻13:特開2000-95815公報專利文獻14:特表2003-529646號公報專利文獻15:特開2002-249515公報專利文獻16:特表2001-527095公報專利文獻17:特許第2890748公報
如上述般,為製得具有高光學特性的芳香族系之氫化聚合物,尚有許多難題。特別是使芳香族乙烯化合物和(甲基)丙烯酸酯的共聚物的芳香環進行氫化之聚合物,具有高透明性、低雙折射、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重等優異特性,惟尚未找到一種安全又快速且經長時間仍安定地製造具有高透明性的氫化聚合物之有效方法。
於是,本發明係提供一種安全且經長時間仍安定地製造已核氫化的高透明度之芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之方法。
本發明者等,為達成上述目的而致力研究之結果,發現藉由使芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環進行氫化以製造氫化聚合物之製法中,重覆進行1 次以上的下列操作:(1)在氫氣的環境下,將上述共聚物的溶劑溶液添加於裝有溶劑及鈀載持催化劑之反應器,使該共聚物之饋入速度為一定範圍而進行氫化反應後,(2)由製得的反應混合液的30~90質量%得到氫化聚合物,並使剩餘的反應混合液殘留於反應器或者使其返回,以一定的饋入速度重新將共聚物之溶劑溶液添加於反應器而進行氫化反應,可安全且經長時間仍安定地重覆製造具高透明性、低雙折射、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重等優異特性之氫化聚合物而完成本發明。
亦即,本發明係[1]一種氫化聚合物之製法,在藉由使芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環進行氫化以製造氫化聚合物之製法中,其特徵係重覆進行1次以上的下列操作:(1)在氫氣的環境下,將上述共聚物的溶劑溶液添加於裝有溶劑及鈀載持催化劑之反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,在此條件下進行氫化反應後,(2)由製得的反應混合液的30~90質量%得到氫化聚合物,並使剩餘的反應混合液殘留於反應器或者使其返回,重新將共聚物之溶劑溶液添加於反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,並在此條件進行氫化反應。
[2]如上述[1]項之氫化聚合物之製法,其係於反應溫度 150~250℃及氫氣壓5~15MPa之條件下進行氫化。
[3]如上述[1]或[2]項之氫化聚合物之製法,其中共聚物的溶劑溶液添加結束時,共聚物及氫化聚合物的濃度之總計為1至40質量%。
[4]如上述[1]至[3]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中共聚物的溶劑溶液添加結束後,進行攪拌0.1~24小時。
[5]如上述[1]至[4]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中在共聚物的構成單位中,來自(甲基)丙烯酸酯的構成單位與芳香族乙烯基化合物的構成單位之莫耳比為0.25至4。
[6]如上述[1]至[5]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中共聚物之重量平均分子量為10,000~1,000,000。
[7]如上述[1]至[6]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中芳香環的氫化率為70%以上。
[8]如上述[1]至[7]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中芳香族乙烯基化合物係苯乙烯,(甲基)丙烯酸酯係由80~100莫耳%甲基丙烯酸甲酯和0~20莫耳%丙烯酸烷基酯而成。
[9]如上述[1]至[8]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中鈀載持催化劑之載體係氧化鋯及/或氧化鋁。
[10]如上述[1]至[9]項中任一項之氫化聚合物之製法,其中鈀載持催化劑中的鈀含率為0.01~5質量%。
[11]如上述[1]至[10]項中任一項之氫化聚合物之製法,其 中溶劑為羧酸酯。
[12]如上述[1]至[11]項中任一項之氫化聚合物之製法,其係自反應器抽提由該操作(1)而得的反應混合液之形態,此時,將鈀載持催化劑分離而殘留於反應系統內。
[13]一種氫化聚合物,其係藉由如上述[1]至[12]項中任一項的氫化聚合物之製法而製得。
[14]一種光學材料組成物,其係含有如上述[13]項之氫化聚合物。
藉由本發明之方法,可安全且經長時間仍安定地製造高透明度的核氫化芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物(氫化聚合物)。由本發明製得的核氫化芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物具有高透明性、低雙折射、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重、高複印性、優異的脫模性等。特別是具有作為光學材料之優異特性,可使用於光學透鏡、光導光板、光擴散板、光碟片基板材料、前面面板等廣泛用途。
實施發明之最佳型態
如上述般,本發明係藉由使芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環進行氫化之氫化聚合物以製造製法。
(單體成分)
使用於本發明的芳香族乙烯化合物,例如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、α-乙基苯乙烯、鄰-甲基苯乙烯、間-甲基苯乙烯、對-甲基苯乙烯、1,3-二甲基苯乙烯、對-第三丁基苯乙烯等烷基苯乙烯(烷基部位的碳數宜為1~5);對-羥基苯乙烯、對-甲氧基苯乙烯、間-丁氧基苯乙烯、對-丁氧基苯乙烯等烷氧基苯乙烯(烷氧基部位的碳數宜為1~5);鄰-氯基苯乙烯、間-氯基苯乙烯、對-氯基苯乙烯、2,4-二氯基苯乙烯、2,6-二氯基苯乙烯等鹵化苯乙烯;乙烯萘;乙烯蒽等。其中,宜為苯乙烯。
使用於本發明的(甲基)丙烯酸酯,例如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸十二酯、(甲基)丙烯酸十八酯等(甲基)丙烯酸烷基酯(烷基部位的碳數宜為1~20,更宜為1~10,尤宜1~5);(甲基)丙烯酸環己酯、(甲基)丙烯酸異冰片酯等(甲基)丙烯酸環烷酯或環族飽和烴酯(任一環形成碳數宜為5~20,尤宜5~10);(甲基)丙烯酸(2-羥乙基)酯、(甲基)丙烯酸(2-羥丙基)酯、(甲基)丙烯酸(2-羥基-2-甲基丙基)酯等(甲基)丙烯酸羥基烷基酯(烷基部位的碳數宜為1~20,更宜為1~10,尤宜1~5);(甲基)丙烯酸(2-甲氧基乙基)酯、(甲基)丙烯酸(2-乙氧基乙基)酯等(甲基)丙烯酸烷氧基烷基酯(烷基部位的碳數宜為1~20,更宜為1~10,尤宜1~5。且烷氧基部位的碳數宜為1~10,更宜為1~5,尤宜1或2);(甲基)丙烯酸苯基酯等(甲基) 丙烯酸苯基酯;(甲基)丙烯酸苄基酯等(甲基)丙烯酸芳基烷基酯(芳基部位的碳數宜為6~10。烷基部位的碳數宜為1~5);2-(甲基)丙烯醯氧基乙基磷醯膽鹼等含有磷脂質結構之(甲基)丙烯酸酯等。(甲基)丙烯酸酯係可使用單獨1種,或併用2種以上。
其中,從透明性、雙折射、耐熱性、表面硬度、吸水性、比重、複印性、脫模性等的均衡之觀點,宜使用80~100莫耳%甲基丙烯烷基酯及0~20莫耳%丙烯酸烷基酯之組合。此時的甲基丙烯酸烷基酯宜為甲基丙烯酸甲酯,丙烯酸烷基酯宜為丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯。(甲基)丙烯酸酯,係尤宜單獨使用甲基丙烯酸甲酯。
併用上述的芳香族乙烯化合物及(甲基)丙烯酸酯,亦可使用其他的單體成分。其他單體成分例如N-甲基順丁烯二醯亞胺、N-乙基順丁烯二醯亞胺、N-丙基順丁烯二醯亞胺、N-丁基順丁烯二醯亞胺等N-烷基順丁烯二醯亞胺(烷基部位的碳數宜為1~5);N-環己基順丁烯二醯亞胺等N-環烷基順丁烯二醯亞胺(形成環之碳數宜為5~10);N-苯基順丁烯二醯亞胺、N-甲基苯基順丁烯二醯亞胺等N-(烷基)芳基順丁烯二醯亞胺(形成環之碳數宜為6~10);N-甲氧基順丁烯二醯亞胺等N-烷氧基順丁烯二醯亞胺(烷氧基部位的碳數宜為1~5);N-羧苯基順丁烯二醯亞胺等N-羧芳基順丁烯二醯亞胺(形成環之碳數宜為6~10)。
其他單體成分之用量,相對於總單體成分,宜為0~10質 量份,尤宜0~5質量份。
(芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之製法)
上述使芳香族乙烯化合物和含有(甲基)丙烯酸酯的單體成分進行共聚之方法,無特別之限制,可採用自由基聚合法、離子聚合法、配位聚合法等既知之方法,於工業上宜採用自由基聚合法,係因其簡便之故。自由基聚合法係可適當地選擇塊狀聚合法、溶液聚合法、乳化聚合法、懸浮聚合法等既知之方法。例如以塊狀聚合法或溶液聚合法為例,將混合著單體成分、鏈轉移劑及聚合引發劑(若為溶液聚合法時更有溶劑)之單位組成物連續地供應給完全混合槽,於100~180℃進行聚合之連續聚合法等。使用於溶液聚合法之溶劑,例如甲苯、二甲苯、環己烷、甲基環己烷等烴系溶劑;醋酸乙酯等酯系溶劑;丙酮、甲基乙酮等酮系溶劑;四氫呋喃、1,4-二噁烷等醚系溶劑;甲醇或異丙醇等醇系溶劑等。自完全混合槽中抽出聚合後的反應混合液之後,導入揮發擠壓機或減壓揮發槽,藉著使揮發成分(單體成分及溶劑等)揮發,可製得芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物(以下簡稱為共聚物)。
在該共聚物之構成單位中,來自(甲基)丙烯酸酯的構成單位(A莫耳)與來自芳香族乙烯化合物的構成單位(B莫耳)之莫耳比(A/B),從共聚物的機械性強度及因氫化反應而提高玻璃轉移溫度之觀點,宜為0.25~4,尤宜0.5~2。
共聚物的各構成單位之比例,若聚合率為100%,雖與置 入單體成分之組成比一致,惟實際上常以聚合率50~80%來製造,因反應性愈高的單體成分較易進入聚合物,故單體成分之置入組成不合於共聚物的構成單位之組成,因此,必須適度調整置入單體成分之組成比。
依上述而得的共聚物之重量平均分子量,宜為10,000~1,000,000,更宜為50,000~700,000,尤宜100,000~500,000,特別宜為130,000~250,000。雖低於10,000或超過1,000,000之共聚物亦可藉由本發明的方法而核氫化,惟重量平均分子量為上述範圍內的共聚物者,其機械強度佳,具有實用上的耐性及適當的黏度,且操作容易因而更理想。本發明說明書中,重量平均分子量係藉由凝膠滲透色譜法(GPC),以四氫呋喃為溶劑,換算為聚苯乙烯而得之值。
(芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環之氫化法)
本發明中,使依上述而得的共聚物氫化時,依據以下(1)及(2)之操作,可安全且經長時間仍安定的製造高透明度的核氫化芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物(氫化聚合物)。重覆進行1次以上的下列操作(1):在氫氣的環境下,將上述共聚物的溶劑溶液添加於裝有溶劑及鈀載持催化劑之反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,並在此條件下進行氫化反應後, (2)由製得的反應混合液的30~90質量%得到氫化聚合物,並使剩餘的反應混合液殘留於反應器或使其返回,重新將共聚物之溶劑溶液添加於反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,並在此條件下進行氫化反應。
(有關操作(1))
氫化反應中,從反應速度之觀點,使用鈀載持催化劑。
鈀的先驅物無特別之限制,例如可使用氯化鈀、硝酸鈀、醋酸鈀、三(二亞苄基丙酮)二鈀、四(三苯基膦)鈀等既知的0價或2價的靶化合物。
催化劑載體例如活性碳、氧化鋁(Al2 O3 )、二氧化矽(SiO2 )、二氧化矽-氧化鋁(SiO2 -Al2 O3 )、矽藻土、二氧化鈦、氧化鋯等。其中,從反應速度及核氫化率之觀點,宜為氧化鋯或氧化鋁,從進行均質的氫化反應而提高氫化聚合物的透明度之觀點,宜為氧化鋯。又,使聚合物內的芳香環均質地氫化,係指在含有不同分子量的聚合物中,使高分子量的聚合物成分及低分子量的聚合物成分皆可達同樣的核氫化率。
使用氧化鋯或氧化鋁作為催化劑載體時,其特徵係即使重覆使用鈀載持催化劑,活性極不易降低。從載持鈀的分散度或氫化能之觀點,催化劑載體宜具有多數20~3000Å的孔,且比表面積宜為10m2 /g以上。又,鈀載持催化劑之載體粒徑,一般為0.1~1000μm,宜為1~500μm,尤宜5~200 μm。若在該範圍內,則氫化反應後的鈀載持催化劑易於分離,且反應速度充分。
鈀載持催化劑之調製方法,無特別的限制,例如將醋酸鈀等鈀先驅物溶解於丙酮、丙腈或1,4-二噁烷等有機溶劑後,含浸於上述催化劑載體,使溶劑揮發並進行乾燥、燒結,藉此可製得高分散地載持著鈀之催化劑。亦可由氯化鈀的鹽酸水溶液或氯化鈉水溶液,或由硝酸鈀的水溶液或鹽酸水溶液而調製,尚可由醋酸鈀的鹽酸水溶液或有機溶劑的溶液而調製。
鈀載持催化劑中的鈀之含率,一般為0.01~50質量%的範圍,宜為0.01~20質量%,尤宜0.1~5質量%,特別宜為0.1~1質量%。特別是使用氧化鋯或氧化鋁作為催化劑載體時,可高分散地載持鈀,又因每單位鈀的反應速度非常大,可降低高價的鈀之載持量。鈀的分散度之測定方法,係可採用一氧化碳之脈衝吸附法等既知的方法。
使用於氫化反應的溶劑,宜為氫化反應前後的共聚物的溶解性及氫的溶解性良好,且不含已氫化的部位者,且宜選擇快速地進行反應者。若設想使反應後的溶劑揮發,溶劑需具有高燃點。從該觀點來看,宜為羧酸酯化合物。
該羧酸酯化合物宜為下述一般式(I)所示的脂肪族的羧酸酯。
R1 COO R2    (I)
一般式(I)中,R1 為甲基、乙基、正丙基、異丙基、正 丁基、正戊基、正己基等碳數1~6之烷基。R2 為甲基、乙基、正丙基、正丁基等碳數1~4之烷基。
一般式(I)所示之脂肪族的羧酸酯之具體例,例如可使用醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸正丁酯、醋酸戊酯、丙酸甲酯、丙酸正丙酯、丙酸正丁酯、正丁酸甲酯、異丁酸甲酯、正丁酸正丁酯、正戊酸甲酯、正己酸甲酯等,宜為醋酸甲酯、醋酸乙酯、丙酸甲酯、異丁酸甲酯、正丁酸甲酯,尤宜異丁酸甲酯。
本發明的氫化反應係使用將共聚物溶解於溶劑之溶劑溶液(以下稱為原料液)而進行。該原料液中的共聚物之濃度,宜為1~50質量%,更宜為1~40質量%,尤宜3~30質量%,特別宜為5~20質量%。若在該範圍內,則生產性高,又可長時間維持催化劑活性,且均質地進行氫化反應,有提高氫化聚合物的透明性之趨勢。再者,若使聚合物內的芳香環均質地氫化,其優點係即使核氫化率降低,仍易於具有高全光線透過率。
從共聚物和催化劑載體的接觸效率之觀點,氫化反應宜於懸膠中進行。反應器宜採用攪拌式槽型反應器。
氫化反應中的氫壓,宜為3~30MPa,尤宜5~15MPa。反應溫度宜為50~250℃,更宜為100~250℃,尤宜150~250℃。
若氫壓為上述範圍內,則反應速度夠快,不需耐高壓的反應容器,於經濟觀點較理想。若反應溫度為上述範圍內, 則反應速度夠快,聚合物不易分解。
本發明中,將原料液饋入反應器之速度,以共聚物換算,必須使得於鈀載持催化劑的每一單位質量(g)為,上述原料液之添加量為0.01~15g/時(宜為0.1~10g/時,更宜為0.5~10g/時,尤宜0.5~5g/時)。若低於0.01g/時,因共聚物之供應需長時間,故降低生產性。另一方面,若超過15g/時,則無法均質地進行氫化反應,而降低氫化聚合物之透明性,且因催化劑活性提早降低,故不易長時間安定地繼續反應。
於共聚物的反應器之滯留時間為0.1~24小時,宜為1~20小時。若在該範圍內,則生產性優異,且均質地進行共聚物之氫化反應。
(關於操作(2))
本發明中,如上述般進行氫化反應後,僅將所得的反應混合液的30~90質量%(宜為50~90質量%,尤宜65~85質量%)(惟,不包含鈀載持催化劑)自反應器取出,或將包含鈀載持催化劑的總反應混合液取出後,僅自其30~90質量%(宜為50~90質量%,尤宜65~85質量%)(惟,不包含鈀載持催化劑)分離取得氫化聚合物。之後將剩餘的反應混合液殘留於反應器(或與鈀載持催化劑一同返回反應器),以上述規定的速度將新的原料液饋入反應器。藉由重覆進行該操作,可工業化地經長時間而製造具有高透明度、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重等特性之 氫化聚合物。
即使在該操作,反應液中的共聚物和氫化聚合物的濃度之總計,宜維持於1~50質量%,更宜為1~40質量%,尤宜維持於3~30質量%,特宜維持於5~20質量%。若反應液中的共聚物及氫化聚合物的濃度過高,則因反應速度降低及溶液黏性上升而導致操作性降低,且不易製得均質且高核氫化率的氫化聚合物。另一方面,若其濃度過低,則使生產性及經濟效益變差。藉由使反應液中的共聚物及氫化聚合物的濃度之總計為上述濃度範圍內,因即使重覆反應,催化劑之活性亦不易降低,故可安全且經長時間仍安定地製得具有高透明性、低雙折射、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重等優異特性之氫化聚合物。
在上述操作(2)中,由反應器取出的反應混合液,考量其對著色、機械物性的影響等,宜藉由過濾或離心分離等既知的方法,使鈀載持催化劑的殘餘量減少至10ppm以下,尤宜1ppm以下。又,從預防催化劑金屬成分溶出之觀點,載體催化劑之去除操作宜於氮氣環境等非氧化性環境下進行。
又,在上述操作(2)中,將自反應器取出的反應混合溶液中的氫化聚合物分離取出之方法,係無特別之限制,例如可利用1)從取出的反應混合溶液,適當地分離載持催化劑並濃縮後,以擠壓機於熔融狀態下進行擠壓而顆粒化之方法,2)從取出的反應混合溶液,適當地分離載體催化 劑後,使溶劑充分地蒸發而得塊狀物後,進行顆粒化之方法,3)從取出的反應混合溶液,適當地分離載體催化劑後,使藉由混合弱溶劑而得的沉澱物進行顆粒化之方法,4)從取出的反應混合溶液,使之與熱水接觸而得塊狀物後,進行顆粒化之方法。
本發明製得的氫化聚合物,若為低核氫化率時,因形成嵌化物而破壞全光線透過率,故為製得高透明性的聚合物,需要高核氫化率。從工業之觀點,需製得具安定的品質之聚合物,在經長時間的氫化聚合物之製造,宜將核氫化率固定。
依據本發明,即使重覆進行上述操作(2),可得核氫化率70%以上的氫化聚合物,依條件可製得80%以上,90%以上,更甚95%以上的氫化聚合物。更具體而言,若利用本發明,即使重覆進行10次操作(2),仍具有80%以上,依條件可達90%以上之核氫化率。
依據本發明的方法所製得之氫化聚合物,即使重覆進行10次以上更甚14次的上述操作(2),仍可使可見光範圍的光線良好地透過,且維持外觀的透明性。厚度3.2mm的成型品之全光線透過率(以JIS K7105中規定的方法來測定),即使重覆進行10次以上更甚14次的上述操作(2)時,仍為優異的90%以上(詳細而言,91~92%)。若有這般的全光線透過率,可使聚合物內的芳香環均質地進行氫化,而適用於光學材料用途。
依據本發明的方法所製得的氫化聚合物,亦可適當地與抗氧化劑、著色劑、脫模劑、界面活性劑、抗菌劑等添加劑混合,作為光學材料組成物。製得的光學材料組成物因具有熱塑性,可藉由擠壓成形或射出成形、薄片成形體的二次加工成形等各種熱成形,精密且經濟地製造光學物品。
光學物品之具體用途,例如各種導光板或導光體、顯示器前面面板、塑膠透鏡基板、光學濾光器、光學薄膜、照明遮蓋、照明看板等。
實施例
以下,以實施例更具體地說明本發明,惟本發明不受限於以下的實施例。且各評價方法係如下所述。
(鈀金屬的分散度之測定)
鈀金屬的分散度係依據一氧化碳的脈衝吸附法來測定。以一氧化碳/鈀金屬=1而算出。
(氫化聚合物的氫化率之測定)
核氫化率係以氫化反應前後的UV光譜測定時之260nm的吸收減少率來評價。
(氫化聚合物的全光線透過率之測定)
全光線透過率係以JIS K7105為依據,使用色度-濁度測定器「COH-300A」(日本電色工業股份公司製),以透過法來測定厚度3.2mm之平板。
試驗片的加熱成形品之製法,係使各例中製得的氫化聚合物在減壓下,於80℃乾燥4小時後,放入已鏡面加工過 的模具中,使用東邦壓力製作所的油壓成形機,於210℃及10MPa的條件下進行壓縮加熱成形而製得。
實施例1 (鈀載持催化劑之調製)
將0.0527g (0.235mmol)體酸鈀溶解於30g丙酮後,加入4.975g乾燥的氧化鋯載體「NNC-100」(商品名,第一稀元素化學工業股份公司製),於40℃邊攪拌邊含浸。於60℃邊減壓邊蒸餾去除丙酮後,於120℃乾燥4小時,更於400℃進行燒結處理3小時,藉此調製鈀含率為0.5質量%的Pd/ZrO2 催化劑。製得的載體催化劑的鈀金屬之分散度為64%。
(核氫化反應)
(1):將25g異丁酸甲酯(以下簡稱為IBM)及0.5g上述0.5質量% Pd/ZrO2 催化劑放入200ml高壓釜,升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃。之後,邊維持於氫壓9MPa及溫度200℃,將7.5g由甲基丙烯酸甲酯(MMA)和苯乙烯而成的共聚物「MS600」(商品名,MMA/苯乙烯=6/4,重量平均分子量170,000,新日鐵化學股份公司製)溶解於67.5g的IBM而成75g之原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為3.0g/時之速度邊饋入高壓釜。結束饋入後更攪拌15小時。
(2):反應結束後,進行降溫及降壓後,使相當於製得的 反應混合液(不包含上述載體催化劑)的75質量%之75g通過反應容器內的過濾器而取出過濾液,滴入過剩的甲醇中,回收氫化聚合物。製得的氫化聚合物之核氫化率為99.5%。
接著,再使高壓釜升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃,與上述相同,將75g原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為3.0g/時之速度饋入高壓釜,結束饋入後更攪拌15小時。
同樣地,重覆進行14次的(2)之操作。第14次的核氫化率為91.1%。此時,任一反應液中,均無鈀的溶出現象(0.01ppm以下)。
又,製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率均為92%。
結果如表1所示。
實施例2
除將實施例1中,以共聚物換算,上述相對於載體催化劑的每一單位質量(g)為3.0g/時之原料液饋入速度更改為10g/時之外,和實施例1同樣地進行實驗。
重覆進行14次的(2)的操作之結果係如表1所示。
此時,任一反應液中,均無鈀的溶出現象(0.01ppm以下)。製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率均為91~92%。
比較例1
除將實施例1中,以共聚物換算,上述相對於載體催化 劑的每一單位質量(g)為3.0g/時之原料液饋入速度更改為90g/時之外,和實施例1同樣地進行實驗。
重覆進行8次的(2)的操作之結果係如表3所示。第8次製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率降低為84%。
比較例2
除將實施例1中,以共聚物換算,上述相對於載體催化劑的每單位質量(g)為3.0g/時之原料液饋入速度更改為20g/時之外,和實施例1同樣地進行實驗。
重覆進行9次的(2)的操作之結果係如表4所示。第9次製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率降低為84%。
比較例3 (鈀載持催化劑之調製)
和實施例1同樣地調製鈀含率0.5質量%的Pd/ZrO2 催化劑。製得的載體持催化劑的鈀金屬之分散度為64%。
(核氫化反應)
(1):將25g異丁酸甲酯(以下簡稱為IBM)及0.5g上述0.5質量% Pd/ZrO2 催化劑放入200ml高壓釜,升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃。之後,邊維持於氫壓9MPa及溫度200℃,將7.5g由甲基丙烯酸甲酯(MMA)和苯乙烯而成的共聚物「MS600」(商品名,MMA/苯乙烯=6/4,重量平均分子量170,000,新日鐵化學股份公司製)溶解於 67.5g的IBM而成75g之原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為3.0g/時之速度邊饋入高壓釜。結束饋入後更攪拌15小時。
(2):反應結束後,進行降溫及降壓,使相當於製得的反應混合液(不包含上述載體持化劑)的100質量%之100g通過反應容器內的過濾器而取出過濾液,滴入過剩的甲醇中,回收氫化聚合物。製得的氫化聚合物之核氫化率為99.5%。
接著,將25g的IBM饋入高壓釜後,再使高壓釜升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃,與上述相同,將75g原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為3.0g/時之速度饋入高壓釜,結束饋入後更攪拌15小時。
同樣地,重覆進行2次的(2)之操作,其結果係如表5所示。
此時,任一反應液中,均無鈀的溶出現象(0.01ppm以下)。
又,製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率均為91~92%。
實施例3 (鈀載持催化劑之調製)
將0.0105g (0.047mmol)醋酸鈀溶解於30g丙酮後,加入4.995g乾燥的氧化鋯載體「NNC-100」(商品名,第一稀元素化學工業股份公司製),於40℃邊攪拌邊含浸。於60℃邊減壓邊蒸餾去除丙酮後,於120℃乾燥4小時,更於400℃進行燒結處理3小時,藉此調製鈀含率為0.1質量%的Pd/ZrO2 催化劑。製得的載體催化劑的鈀金屬之分散度為69%。
(核氫化反應)
(1):將25g的IBM及1.0g上述0.1w% Pd/ZrO2 催化劑放入200ml高壓釜,升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃。之後,邊維持於氫壓9MPa及溫度200℃,將7.5g實施例1的共聚物「MS600」溶解於67.5g的IBM而成75g之原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為1.5g/時之速度邊饋入高壓釜。結束饋入後更攪拌15小時。
(2):反應結束後,進行降溫及降壓,使相當於製得的反應混合液(不包含上述載體催化劑)的75質量%之75g通 過反應容器內的過濾器而取出過濾液,滴入過剩的甲醇中,回收氫化聚合物。製得的氫化聚合物之核氫化率為99.0%。
接著,再使高壓釜升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃,與上述相同,將75g原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為1.5g/時之速度饋入高壓釜,結束饋入後更攪拌15小時。
同樣地,重覆進行11次的(2)之操作,其結果係如表6所示。
此時,任一反應液中,均無鈀的溶出現象(0.01ppm以下)。
又,製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率均為91~92%。
比較例4
除將實施例3中,以共聚物換算,上述載體催化劑的每單位質量(g)為1.5g/時之原料液饋入速度更改為90g/時之外,和實施例3同樣地進行實驗。
重覆進行7次的(2)的操作之結果係如表7所示。第7次製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率降低為84%。
實施例4 (鈀載持催化劑之調製)
將0.0527g (0.235mmol)醋酸鈀溶解於30g丙酮後,加入4.975g乾燥的氧化鋁載體「GB-01」(商品名,水澤化學工業股份公司製),於40℃邊攪拌邊含浸。於60℃邊減壓邊蒸餾去除丙酮後,於120℃乾燥4小時,更於400℃進行燒結處理3小時,藉此調製鈀含率為0.5質量%的Pd/Al2 O2 催化劑。製得的載持催化劑的鈀金屬之分散度為79%。
(核氫化反應)
(1):將25g的IBM及2.0g上述0.5質量% Pd/Al2 O2 催化劑放入200ml高壓釜,升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃。之後,邊維持於氫壓9MPa及溫度200℃,將7.5g實施例1的共聚物「MS600」溶解於67.5g的IBM而成75g 之原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使成得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為0.75g/時之速度邊饋入高壓釜。結束饋入後更攪拌15小時。
(2):反應結束後,進行降溫及降壓,使相當於製得的反應混合液(不包含上述載體催化劑)的75質量%之75g通過反應容器內的過濾器而取出過濾液,滴入過剩的甲醇中,回收氫化聚合物。製得的氫化聚合物之核氫化率為99.0%。
接著,再使高壓釜升壓、升溫至氫壓9MPa及溫度200℃,與上述相同,將75g原料液(10質量% MS600-IBM溶液),以共聚物換算,使得相對於上述載體催化劑的每一單位質量(g),該原料液為0.75g/時之速度饋入高壓釜,結束饋入後更攪拌15小時。
同樣地,重覆進行2次的(2)之操作,其結果係如表8所示。
此時,任一反應液中,均無鈀的溶出現象(0.01ppm以下)。
又,製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率均為91%。
比較例5
除將實施例4中,以共聚物換算,上述相對於載體催化劑的每一單位質量(g)為0.75g/時之原料液饋入速度更改為90g/時之外,和實施例4同樣地進行實驗。
重覆進行2次的(2)的操作之結果係如表9所示。
第0次製得的氫化聚合物的加熱成形品之全光線透過率為91%,第2次時為90%,惟第3次則降為85%。
由上述之結果可知,依據本發明的方法(參考實施例1~4),可安全且經長時間仍安定地製造高透明性之氫化聚合物。
另一方面,原料液的饋入速度,以共聚物換算,若超過相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),該原料液為15g/ 時(比較例1、2、4及5),則無法經長時間仍安定地製造氫化聚合物,且全光線透過率亦降低,無法使用於光學材料用途。
在比較例3中,採用將操作(1)所得的全部的反應混合液取出而製得氫化聚合物之操作時,使用相同載體催化劑,重覆進行核氫化反應,僅1、2次即大幅降低核氫化率。
應用於產業之可能性
由本發明製得之核氫化芳香族乙烯化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物,具有高透明性、低雙折射、高耐熱性、高表面硬度、低吸水性、低比重、高複印性、優異的脫模性,特別是具有作為光學材料之優異特性,可使用於光學鏡片、光導光板、光擴散板、光碟片基板材料、前面面板等廣範圍之用途。

Claims (14)

  1. 一種氫化聚合物之製法,在藉由使芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物的芳香環進行氫化以製造氫化聚合物之製法中,其特徵係重覆進行1次以上的下列操作:(1)在氫氣的環境下,將上述共聚物的溶劑溶液添加於裝有溶劑及鈀載持催化劑之反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,在此條件下進行氫化反應後,(2)由製得的反應混合液的30~90質量%得到氫化聚合物,並使剩餘的反應混合液殘留於反應器或者使其返回,重新將共聚物之溶劑溶液添加於反應器,以共聚物換算,使得相對於鈀載持催化劑的每一單位質量(g),上述溶劑溶液之添加量為0.01~15g/時,並在此條件進行氫化反應。
  2. 如申請專利範圍第1項之氫化聚合物之製法,其係於反應溫度150~250℃及氫氣壓5~15MPa之條件下進行氫化。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中共聚物的溶劑溶液添加結束時,共聚物及氫化聚合物的濃度之總計為1至40質量%。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中共聚物的溶劑溶液添加結束後,進行攪拌0.1~24小時。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中在共聚物的構成單位中,來自(甲基)丙烯酸酯的構成單位與芳香族乙烯基化合物的構成單位之莫耳比為0.25至4。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中共聚物之重量平均分子量為10,000~1,000,000。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中芳香環的氫化率為70%以上。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中芳香族乙烯基化合物係苯乙烯,(甲基)丙烯酸酯係由80~100莫耳%甲基丙烯酸甲酯和0~20莫耳%丙烯酸烷基酯而成。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中鈀載持催化劑之載體係氧化鋯及/或氧化鋁。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中鈀載持催化劑中的鈀含率為0.01~5質量%。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其中溶劑為羧酸酯。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之氫化聚合物之製法,其係自反應器抽提由該操作(1)而得的反應混合液之形態,此時,將鈀載持催化劑分離而殘留於反應系統內。
  13. 一種氫化聚合物,其係藉由如申請專利範圍第1至12項中任一項的氫化聚合物之製法而製得。
  14. 一種光學材料組成物,其係含有如申請專利範圍第13項之氫化聚合物。
TW097129759A 2007-08-06 2008-08-06 核氫化芳香族乙烯基化合物/(甲基)丙烯酸酯系共聚物之製法 TWI425015B (zh)

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