JP4354692B2 - Method for producing polyesteramide copolymer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生分解性と、高強度とを調和させたポリエステルアミド共重合体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
プラスチックの廃棄処理に際しての環境への負荷を軽減するために、自然界における「非蓄積性」を特徴とする生分解性プラスチックの開発ならびに使用拡大が重大な関心事となっている。
【0003】
現在までに開発された生分解性プラスチックとしては、代表的なものとして、ポリ乳酸素樹脂、ポリブチレンサクシネート、ポリカプラクトンなどの脂肪族ポリエステル系樹脂があるが、これら生分解性プラスチックには、共通する欠点として、(1)耐熱性が低いこと、(2)強度が低いこと、(3)生分解性の制御が難しいことなどが挙げられ、必ずしも充分な用途ならびに使用の拡大が達成されていない。そこで、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミドなどの耐熱性および強度の優れるエンジニアリングプラスチックに共重合体等により生分解性を付与して、主として(1),(2)の欠点を改善しようとする試みがなされている。なかでも、脂肪族ポリアミドは、強度的に優れるだけでなく、生成内にも多く存在するアミド結合を有するため、これと従来よりも知られている生分解性プラスチックの代表である脂肪族ポリエステルとの共重合体により、上記(1)〜(3)の欠点を改善した生分解性プラスチックとしてのポリエステルアミド共重合体を与えることが期待されている。現在までに知られているポリエステルアミド共重合体の製造のための重合方法は、以下のように大きく3種に分類される。
【0004】
モノマー(M/M)法(重合方法1)
一つ目は、原料に全てモノマーを用い、重合反応によりポリエステルアミド共重合体を合成する方法である(例えば、特開平7−102061号公報)。この方法は、古くから知られているが、生分解性を充分に発現させる場合にはモノマーが特定の高価な環状化合物に限定されたり、充分に耐熱性、高強度を発現できなかったりする問題点がある。
【0005】
ポリマー(P/P)法(重合方法2)
二つ目は、アミド成分とエステル成分の原料として、ともに高分子量ポリマーまたは低分子量オリゴマーを用いる方法である(例えば、特開平7−157557号公報)。この方法は、製造するポリエステルアミド共重合体が高価になったり、生成する共重合体の分子量が低く、その分子量を増大させるために、第3成分を使用するなどが必要になり、さらに操作が複雑になると同時にますますポリマーが高価になる。
【0006】
ポリマー/モノマー(P/M)法(重合方法3)
三つ目は、脂肪族ポリアミドと脂肪族ポリエステルの一方の成分の原料はモノマーを使用し、他の原料は高分子量ポリマーまたは低分子量オリゴマーを用いる方法である。例えば、ポリアミドとラクトン化合物とを原料とする方法(特開平4−36320号公報)が知られているが、モノマーの作用するエステル交換後にポリマーの解重合等も促進されるため、得られるポリエステルアミド共重合体の分子量の充分な増大が得られず、強度的にも未だ不満足なものであった。例えば、得られたポリエステルアミド共重合体を成形フィルムの引張強度として、320〜400kg/cm2(約30〜40MPa)が報告されている。また、共重合体とともに生成していると解されるポリエステル(ポリラクトン)は、クロロホルム可溶分として製品ポリエステルアミド共重合体から分離されており、製品収率的にも未だ不満足である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑み、実用的に優れた耐熱性、機械強度等の物性を有するとともに、生分解性を有するポリエステルアミド共重合体の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの研究によれば、生分解性と、機械的強度、耐熱性を代表とする物性とが調和したポリエステルアミド共重合体を得るためには、ポリエステルアミド共重合体が、それぞれのブロック平均分子鎖長を制御したブロック共重合体の形態を採り、且つ全体の分子量(本発明では溶液粘度(インヘレント粘度)で規定)を高く維持することが望ましいこと、ならびにこのようなポリエステルアミド共重合体を製造するためには、原料として脂肪族ポリアミド(P)と、環状エステルの開環重合体である脂肪族ポリエステル(P)と、環状エステルまたは環状アミド(M)との3種(P/P/M)を用い、これらの混合物を制御された条件下でのエステル−アミド交換および縮重合反応に付す方法(いわばPPM法)が極めて有効であることが見出された。
【0009】
上記知見に基づき本発明によれば、脂肪族ポリアミドと、環状エステルの開環重合体である脂肪族ポリエステルとの共重合体からなり、その4.0gをヘキサフルオロイソプロパノール1Lに溶解して得られた溶液についてウベローデ粘度計を用いて25℃で測定した溶液粘度(インヘレント粘度)が0.7dl/g以上であるポリエステルアミド共重合体が得られる。
【0010】
本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法は、脂肪族ポリアミドと、環状エステルの開環重合体である脂肪族ポリエステルと、環状エステルまたは環状アミドとの混合物を、ポリアミドの融点と約300℃との間の温度で加熱溶融状態で、透明状態になるまで保持してエステル−アミド交換反応を進め、その後、より低い温度で縮重合を進めることを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法を、その工程に従って、順次説明する。
【0012】
1.原料
(脂肪族ポリアミド)
本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法において用いる原料の第1は、脂肪族ポリアミドである。この脂肪族ポリアミドは、製品ポリエステルアミド共重合体を構成する脂肪族ポリアミドと実質的に同一モノマーからなるものであるが、本発明の重合工程において、後記する脂肪族ポリエステルあるいはそのモノマーによるエステル−アミド交換反応を受けるため、製品ポリエステルアミド共重合体中の脂肪族ポリアミドのブロック単位よりはかなり大なる分子量を有する。
【0013】
具体的には、脂肪族ポリアミドとしては、脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジアミンとの縮重合体、環状アミド(ラクタム類)の開環重合体が用いられ、より具体的には、ポリアミド(ナイロン6)、ポリアミド6,6(ナイロン6,6)、ポリアミド12(ナイロン12)、ポリアミド6,10(ナイロン6,10)あるいはこれらの共重合体が用いられる。中でも製品ポリエステルアミド共重合体の強度特性と生分解性の調和を得るためには、ポリアミド6、ポリアミド12等の環状アミドが好ましく、特にポリアミド6(ナイロン6)が好ましい。原料としての脂肪族ポリアミドは、数平均分子量が600〜100,000、特に10,000〜25,000の範囲であることが好ましい。数平均分子量が600未満であると縮合反応時に重合度が上り難く、また100,000を超えると撹拌が困難となり易い。
【0014】
(脂肪族ポリエステル(環状エステルの開環重合体))
本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法において用いる原料の第2は、環状エステルの開環重合体である脂肪族ポリエステルであり、環状エステルの具体例としては、β−ラクトン、γ―ラクトン、δ−ラクトン、ε−ラクトン等のラクトン類、ならびにグリコリド(グリコール酸の環状二重体)およびラクチド(乳酸の環状二量体)等が挙げられるが、特にε−ラクトンの開環重合体であるポリ−ε−ラクトンが好ましく用いられる。原料としての脂肪族ポリエステルは、数平均分子量が500〜500,000、特に4,000〜100,000の範囲であることが好ましい。数平均分子量が500未満であると、縮合反応時に重合度が上り難くなる。また、500,000を超えると、撹拌が困難となり易い。
【0015】
(環状エステルまたは環状アミド)
本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法において用いる原料の第3は、環状エステルまたは環状アミドである。
【0016】
環状エステルの具体例としては、上記脂肪族ポリエステルに対応するラクトン類、グリコリド類が挙げられ、環状アミドの具体例としては上記脂肪族ポリアミドの対応モノマーの好ましい例でもある、ラクタム類が挙げられる。
【0017】
これら環状エステルまたは環状アミドは、脂肪族ポリアミドと脂肪族ポリエステル間の加熱下のエステル−アミド交換を著しく促進して、より低温下でのエステル−アミド交換を可能にし、生成するポリエステルアミド共重合体の低分子量化を防止する作用を有する。環状エステルまたは環状アミドの作用は、脂肪族ポリエステルあるいは脂肪族ポリアミドのモノマーとの構造的近似性が寄与しているとも考えられ、この意味で最も好ましい環状エステルはε−カプロラクトン、最も好ましい環状アミドはε−カプロラクタムである。
【0018】
より具体的に述べると、ポリカプロラクトンとポリアミド6とを、高温下で(特公昭57−26688号公報)、あるいは水の存在下で加熱下に(特開平7−157557号公報)、エステル−アミド交換反応に付し、ポリエステルアミド共重合体を製造する方法が知られている。しかし、これらのポリマー同士を反応させた系では共重合体反応が完全に進行せず、非晶状態のDSC測定では単一の昇温結晶化温度を示さない。さらに、ポリアミドおよびポリエステル成分の融点と比べてかなり高い温度で反応を行うので、反応が完結するまでにエステルおよびアミド成分に熱分解が生じ、充分な力学的強度が得られないという問題があった。
【0019】
これに対し、本発明に従い、上記脂肪族ポリアミドと脂肪族ポリエステルに加えて、環状エステルまたは環状アミドを共存させることにより、エステル−アミド交換の一応の完了状態を示す透明均質液状態(これに伴い生成ポリエステルアミド共重合体における非晶状態からの昇温過程での結晶化温度が単一化する)が比較的短時間で得られ、その後、より低い温度で縮重合を進めることにより、全体として機械的強度を与えるに充分な高い分子量(溶液粘度)を維持しつつ、生分解性を与えるに充分な程、エステル−アミド交換を進行させたポリエステルアミド共重合体が見出されたのである。
【0020】
本発明等の知見によれば、生成ポリエステルアミド共重合体において、ポリアミドブロック中の平均分子鎖長が3以上であり且つポリエステルアミド共重合体の溶液粘度(インヘレント粘度)が0.7dl/g以上、より好ましくは0.8dl/g以上、更に好ましくは0.9dl/g以上であることが、生成ポリエステルアミド共重合体の耐熱性、機械的強度をはじめとする物理的特性を高くする上で著しく、好ましい。他方、ポリエステルアミド共重合体中のポリエステルブロックの平均分子鎖長は、ポリアミドブロック中のそれより小さく、より具体的には、1〜2の範囲内であることが好ましい。
【0021】
上述した、生成ポリエステルアミド共重合体中における好ましい分子量ならびに平均分子鎖長を実現できるように、上記原料成分の使用が定められる。
【0022】
より具体的には、生成ポリエステルアミド共重合体中におけるポリアミド含量が50〜95モル%、特に60〜90モル%、ポリエステル含量が5〜50モル%、特に10〜40モル%となる割合が好ましく用いられる。また上記3原料(脂肪族ポリアミド、脂肪族ポリエステルおよび環状エステルまたは環状アミド)中において、脂肪族ポリアミドは、25〜85モル%、特に30〜81モル%、脂肪族ポリエステルは4.5〜25モル%、特に9〜20モル%、環状エステルは0.5〜25モル%、特に1〜20モル%、あるいは環状アミドが9〜30モル%、特に9.5〜25モル%の範囲で、上記生成ポリエステルアミド共重合体中のポリアミド含量およびポリエステル含量範囲を満たすように決定される。
【0023】
本発明のポリエステルアミド共重合体の製造方法に従い、上記した脂肪族ポリアミド、脂肪族ポリエステル、および環状エステルまたは環状アミドを、ポリアミドの融点である約190℃と約300℃との間の温度、より好ましくは210〜280℃の範囲の温度でエステル−アミド交換に付す。この際、一般に(無水)酢酸亜鉛、ステアリン酸亜鉛、テトラ−n−ブチルチタネート等の慣用のエステル交換触媒を、上記原料の合計量100重量部に対して0.1〜10重量部、特に0.2〜1.0重量部の範囲で共存させる。上記温度で1〜15時間、特に2〜10時間、原料混合物を保持することにより、エステル−アミド交換の一応の終了を示す透明均質液状態に到達する(これに伴い生成ポリエステルアミド共重合体における非晶状態からの昇温過程での結晶化温度が単一化する)。
【0024】
系が、透明均質液状態に達したら系の温度を可及的速やかに、具体的には150〜260℃、特に170〜230℃、温度範囲(で好ましくはエステル−アミド交換反応温度よりは10℃以上低く、特に20〜100℃低い温度範囲)に低下させて縮重合を進める。透明均質液状態に到達後も、系をエステル−アミド交換温度に止めると、ポリアミドブロックの解重合が進み、生成ポリエステルアミド共重合体の物理特性上要求される平均分子鎖長が3以上の条件が満たされなくなる。
【0025】
この縮重合は、撹拌トルクが上昇し、ほぼ一定になるところまで継続される。
【0026】
上記した本発明の製造方法を経て得られるポリエステルアミド共重合体は、上述したように脂肪族ポリアミドと脂肪族ポリエステルのブロック共重合体の形態をなし、数平均分子量に対応するインヘレント粘度が0.7dl/g以上、好ましくは0.8dl/g以上、更に好ましくは0.9dl/g以上、ポリアミドブロックの平均分子鎖長が3〜10、より好ましくは4〜8、ポリエステルブロックの平均分子鎖長が1〜2、より好ましくは1.2〜1.7の範囲のものとなる。また昇温時において、10〜150℃の温度範囲に単一の結晶化温度を、また150〜210℃の範囲に融点を示すものとなる。
【0027】
本発明によるポリエステルアミド共重合体は、改良された物理特性を有する生分解性プラスチックとして、釣糸、魚網、農業用ネットなどの繊維製品、押出、延伸を経て食品 装材料等として有用な各種フィルム製品に成形利用され得る。
【0028】
[実施例]
以下、実施例、比較例により更に具体的に本発明を説明する。各例において得られたポリエステルアミド共重合体については、以下の物性の測定を行った。
【0029】
1.熱的性質
パーキン・エルマー社製DSC7を用いて測定を行った。測定温度域は10℃〜250℃。昇降温速度は10℃/分。
【0030】
2.一次構造(13C−NMRによる構造解析方法)
・エステル/アミド比率
ポリエステル・ポリアミドの各カルボニル炭素ピークの大きさで比率を求める。
【0031】
・結合比率
エステル結合および結合に関与しているカルボニル炭素に隣接しているメチレン炭素ピークに着目する。エステル−アミド交換反応によりアミド−エステル、エステル−アミドピークが生成したとき、それら結合に関与したカルボニル炭素に結合したメチレン炭素のピークはシフトする。元のピークとシフトしたピークとの比率とエステル/アミド比率からアミド−アミド、アミド−エステル、エステル−エステル、エステル−アミド、の各結合比率を求めることが可能である。
【0032】
・平均ブロック長
生成したポリラクトンアミドが1本の分子鎖として重合したと仮定し、それを先ほど求めた結合比率に当てはまるように配列した結果から求めることができる。
【0033】
3.生分解性(コンポスト条件下)
菱三プロダクツ社製、微生物酸化分解装置(製品名「MODA」)を用いて測定した。すなわち、微粉化した試料10gを、微生物源および海砂と混合して、反応筒に充填し、58℃に保持したこの反応筒に、炭酸ガスを除去した空気を20ml/分の速度で45日間供給する。反応筒からは、微生物分解による二酸化炭素アンモニアおよび水が反応するが、このうち、二酸化炭素のみを選択的に回収して、その量を測定し、試料中の全炭素量から発生すべき二酸化炭素量との割合を計算し、その割合が3%以上のものを生分解性あり、3%未満のものを生分割性なしとした。
【0034】
4.溶液粘度
ヘキサフルオロイソプロパノール1Lに対して4.0gの試料量となるように試料溶液を作成。その試験溶液を25℃の水浴中でウベローデ粘度計を用いて粘度測定した。
【0035】
5.直線強度
◎試料作成
φ35mの押出機を用い、下記の条件で径が約0.2mmのモノフィラメントを成形した。
【0036】
【外1】
・押出温度:195℃
・冷却槽温度:5℃
・1段延伸:4.30倍@23℃
・2段延伸:1.57倍@140℃
・総延伸倍率:6.75倍
・熱処理および緩和:なし
【0037】
◎強度測定
得られたモノフィラメントについて、オリエンテック社製テンシロン(RTM−100型)を用いて引張り強度を測定した。
【0038】
【外2】
・試験温度:23℃
・試料長:300mm
・引張り速度:300mm/min
【0039】
(実施例1)
反応容器中に、6ナイロン、ポリカプロラクトンおよびε−カプロラクトンを、70:21:9モル比で投入し、窒素雰囲気中、220℃に保持し、その後260℃まで設定温度を上げた。6ナイロンの溶融後、徐々に撹拌速度を上げ、更に270℃まで系の温度を上昇させた後、全仕込量100重量部に対し0.5重量部の酢酸亜鉛(触媒)を添加して、エステル−アミド交換反応を開始した。
【0040】
270℃で反応を続け、約6時間経過後に系内が白濁状態から透明均質化状態まで変化したので、エステル−アミド交換の終了と判定し、撹拌継続下、系を220℃まで温度降下させた。この温度で約10時間縮重合を継続し、その後冷却することにより、本発明によるポリエステルアミド共重合体を得た。
【0041】
得られたポリエステルアミド共重合体は、融点=180℃、昇温結晶化温度=27℃(単一)、ポリアミドブロックにおける平均分子鎖長=5.7、ポリエステルブロックにおける平均分子鎖長=1.4、インヘレント粘度(ηinh)=1.0dl/gを示した。また58℃、45日間の微生物酸化条件下でのコンポスト処理により約15%の炭酸ガスの発生率を示し、生分解性有りと判定された。更に径約0.2mmのモノフィラメントを形成して、直線引張り強度を測定したところ、670MPaの値を示した。
【0042】
ポリエステルアミド共重合体の製造の概要および特性測定結果を、以下の実施例、比較例についての結果とまとめて、後記表1に示す。
【0043】
(実施例2)
270℃でのエステル−アミド交換反応を、約6時間での透明液状態の到達後、更に4時間継続する以外は、実施例1と同様にしてポリエステルアミド共重合体を製造し、物性測定を行った。
【0044】
その結果、ポリアミドのインヘレント粘度および平均分子鎖長の低下が認められ、モノフィラメントの直線引張り強度も320MPaと低下したが、それでも、従来法により得られたレベル(後記比較例3によれば55MPa)に比べれば、かなり高い強度が得られた。
【0045】
(実施例3)
原料として、6ナイロン、ポリカプロラクトンおよびε−カプロラクタムを、49:30:21のモル比で用い、エステル−アミド交換反応を温度300℃で1.3時間行う以外は、実施例1と同様にして、ポリエステルアミド共重合体を製造し、物性を測定した。
【0046】
(比較例1)
原料として、6ナイロン、ポリカプロラクトンおよびε−カプロラクトンを、50:35:15のモル比で用い、220℃での縮重合反応を行わない以外は、実施例1と同様にして、ポリエステルアミド共重合体を製造し、物性を測定した。
【0047】
(比較例2)
市販の6ナイロン(ユニチカ社製「A1020BRL」)を用いて、比較のための物性測定を行った。融点、インヘレント粘度、直線強度等は、実施例のポリエステルアミド共重合体よりも若干高い温度を示したが、コンポスト処理における炭酸ガス発生量は0%であり、生分解性は全く認められなかった。
【0048】
(比較例3)
原料として、6ナイロン、ポリカプロラクトンおよびε−カプロラクトンを、70:30のモル比で用い、エステル−アミド交換反応を温度280℃で2時間行い、220℃での縮重合反応を行わない以外は、実施例1と同様にして、ポリエステルアミド共重合体を製造し、物性を測定した。
【0049】
得られたポリエステルアミド共重合体は、DSC昇温時に13℃と21℃にそれぞれ結晶化温度のピークを示し、エステル−アミド交換反応が不充分であることを示すとともに、直線引張り強度も55MPaとかなり低い値を示した。
【0050】
(比較例4)
特開平7−157557号公報の記載に準じて、P/P法によりポリエステルアミドを製造した。すなわち、原料として、6ナイロン、ポリカプロラクトンを70:30のモル比で投入し、そこへ水4重量部および触媒0.5重量部を添加した。窒素雰囲気下で270℃まで加熱し、撹拌しながら4時間反応を行った。その後、装置内雰囲気を減圧状態にし、水を留出させ、十分にトルクが上がったところで常圧に戻し、排出した後に溶融反応物を放冷して、共重合体を得た。
【0051】
上記実施例および比較例の結果は、まとめて次の表1に示す。
【0052】
【表1】
【0053】
【発明の効果】
上記表1に示す実施例と比較例との対比で示すように、本発明によれば、脂肪族ポリアミドと、環状エステルの開環重合体である脂肪族ポリエステルと、環状エステルまたは環状アミドとの混合物を、エステル−アミド交換反応および、より低温下での縮重合反応に逐次付すことにより、生分解性に優れ、且つ高強度・高耐熱性で代表される物理特性にも優れ、釣糸、魚網および農業用ネットをはじめとする繊維製品、ならびに食品をはじめとする各種内容物の包装材料として優れた適性を示すポリエステルアミド共重合体が提供される。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to biodegradable and producing how the polyester amide copolymer in harmony and high strength.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the burden on the environment when plastics are disposed of, the development and expansion of use of biodegradable plastics characterized by “non-accumulation” in nature has become a major concern.
[0003]
Representative biodegradable plastics developed to date include aliphatic polyester resins such as polylactic acid oxygen resin, polybutylene succinate, and polycapracton. These biodegradable plastics are , Common disadvantages include (1) low heat resistance, (2) low strength, and (3) difficulty in controlling biodegradability, and sufficient applications and expansion of use have been achieved. Not. Therefore, an attempt to mainly improve the defects of (1) and (2) by imparting biodegradability to the engineering plastics with excellent heat resistance and strength such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyamide by using a copolymer. Has been made. Among these, aliphatic polyamides not only have excellent strength, but also have amide bonds that are present in a large amount in the product, and therefore, aliphatic polyesters that are representative of biodegradable plastics that have been known conventionally and This copolymer is expected to give a polyesteramide copolymer as a biodegradable plastic that has improved the above disadvantages (1) to (3). The polymerization methods for producing polyesteramide copolymers known to date are roughly classified into three types as follows.
[0004]
Monomer (M / M) method (polymerization method 1)
The first is a method of synthesizing a polyesteramide copolymer by a polymerization reaction using all monomers as raw materials (for example, JP-A-7-102061). This method has been known for a long time, but in the case of sufficiently developing biodegradability, the monomer is limited to a specific expensive cyclic compound, and heat resistance and high strength cannot be expressed sufficiently. There is a point.
[0005]
Polymer (P / P) method (polymerization method 2)
The second is a method in which both a high molecular weight polymer and a low molecular weight oligomer are used as raw materials for the amide component and the ester component (for example, JP-A-7-157557). In this method, the polyesteramide copolymer to be produced becomes expensive, the molecular weight of the copolymer to be produced is low, and it is necessary to use a third component in order to increase the molecular weight. Increasing polymer complexity and complexity.
[0006]
Polymer / monomer (P / M) method (polymerization method 3)
The third is a method in which a monomer is used as a raw material of one component of aliphatic polyamide and aliphatic polyester, and a high molecular weight polymer or a low molecular weight oligomer is used as the other raw material. For example, a method using a polyamide and a lactone compound as raw materials (Japanese Patent Laid-Open No. 4-36320) is known, but since the depolymerization of the polymer is promoted after the transesterification by which the monomer acts, the resulting polyesteramide A sufficient increase in the molecular weight of the copolymer could not be obtained, and the strength was still unsatisfactory. For example, 320 to 400 kg / cm 2 (about 30 to 40 MPa) is reported as the tensile strength of the molded film using the obtained polyesteramide copolymer. Further, polyester (polylactone), which is considered to be produced together with the copolymer, is separated from the product polyesteramide copolymer as a chloroform-soluble component, and is still unsatisfactory in terms of product yield.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above prior art, practically excellent heat resistance, which has physical properties such as mechanical strength, and to provide a method for producing a polyester amide copolymer having biodegradability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the study by the present inventors, in order to obtain a polyesteramide copolymer in which biodegradability, physical strength, and physical properties represented by heat resistance are harmonized, It is desirable to take the form of a block copolymer in which the block average molecular chain length is controlled and to maintain the overall molecular weight (specified by the solution viscosity (inherent viscosity) in the present invention) at a high level. In order to produce a polymer, three types (P) of an aliphatic polyamide (P) as a raw material, an aliphatic polyester (P) that is a ring-opening polymer of a cyclic ester, and a cyclic ester or a cyclic amide (M) are used. / P / M) and subjecting these mixtures to ester-amide exchange and polycondensation reactions under controlled conditions (so-called PPM method) is extremely effective. It has been found.
[0009]
Based on the above knowledge, according to the present invention, it is a copolymer of an aliphatic polyamide and an aliphatic polyester which is a ring-opening polymer of a cyclic ester, and is obtained by dissolving 4.0 g in 1 L of hexafluoroisopropanol. A polyesteramide copolymer having a solution viscosity (inherent viscosity) measured at 25 ° C. using an Ubbelohde viscometer is 0.7 dl / g or more.
[0010]
The method for producing a polyesteramide copolymer of the present invention comprises a mixture of an aliphatic polyamide, an aliphatic polyester that is a ring-opening polymer of a cyclic ester, and a cyclic ester or a cyclic amide, and a melting point of the polyamide of about 300 ° C. This is characterized in that the ester-amide exchange reaction is carried out by maintaining the mixture in a heated and melted state at a temperature between 1 and 2 until it becomes transparent, and then polycondensation is carried out at a lower temperature.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a method for producing a polyester amide copolymer of the present invention, according to the process are sequentially described.
[0012]
1. Raw material (aliphatic polyamide)
The first raw material used in the method for producing a polyesteramide copolymer of the present invention is an aliphatic polyamide. This aliphatic polyamide is composed of substantially the same monomer as the aliphatic polyamide constituting the product polyesteramide copolymer. In the polymerization process of the present invention, the aliphatic polyester described later or an ester-amide based on the monomer is used. Because it undergoes an exchange reaction, it has a molecular weight significantly greater than the block units of the aliphatic polyamide in the product polyesteramide copolymer.
[0013]
Specifically, as the aliphatic polyamide, a condensation polymer of an aliphatic dicarboxylic acid and an aliphatic diamine and a ring-opening polymer of a cyclic amide (lactam) are used. More specifically, a polyamide (nylon 6) is used. ), Polyamide 6,6 (nylon 6,6), polyamide 12 (nylon 12), polyamide 6,10 (nylon 6,10) or a copolymer thereof. Among them, cyclic amides such as polyamide 6 and polyamide 12 are preferable, and polyamide 6 (nylon 6) is particularly preferable in order to obtain a balance between strength characteristics and biodegradability of the product polyesteramide copolymer. The aliphatic polyamide as a raw material preferably has a number average molecular weight in the range of 600 to 100,000, particularly 10,000 to 25,000. When the number average molecular weight is less than 600, it is difficult to increase the degree of polymerization during the condensation reaction, and when it exceeds 100,000, stirring tends to be difficult.
[0014]
(Aliphatic polyester (ring-opening polymer of cyclic ester))
The second raw material used in the method for producing a polyesteramide copolymer of the present invention is an aliphatic polyester that is a ring-opening polymer of a cyclic ester. Specific examples of the cyclic ester include β-lactone, γ-lactone, Examples include lactones such as δ-lactone and ε-lactone, glycolide (cyclic dimer of glycolic acid) and lactide (cyclic dimer of lactic acid). -Ε-lactone is preferably used. The aliphatic polyester as a raw material preferably has a number average molecular weight in the range of 500 to 500,000, particularly 4,000 to 100,000. When the number average molecular weight is less than 500, it is difficult to increase the degree of polymerization during the condensation reaction. Moreover, when 500,000 is exceeded, stirring will become difficult easily.
[0015]
(Cyclic ester or cyclic amide)
The third raw material used in the method for producing a polyesteramide copolymer of the present invention is a cyclic ester or a cyclic amide.
[0016]
Specific examples of the cyclic ester include lactones and glycolides corresponding to the aliphatic polyester, and specific examples of the cyclic amide include lactams, which are also preferable examples of the corresponding monomer of the aliphatic polyamide.
[0017]
These cyclic esters or cyclic amides significantly promote ester-amide exchange under heating between aliphatic polyamides and aliphatic polyesters, enabling ester-amide exchange at lower temperatures and resulting polyester amide copolymers It has the effect | action which prevents low molecular weight reduction. The action of the cyclic ester or cyclic amide is thought to be due to the structural approximation with the monomer of the aliphatic polyester or aliphatic polyamide. In this sense, the most preferred cyclic ester is ε-caprolactone, and the most preferred cyclic amide is ε-caprolactam.
[0018]
More specifically, polycaprolactone and polyamide 6 are ester-amides at a high temperature (Japanese Patent Publication No. 57-26688) or in the presence of water (Japanese Patent Laid-Open No. 7-157557). A method for producing a polyesteramide copolymer by an exchange reaction is known. However, in the system in which these polymers are reacted with each other, the copolymer reaction does not proceed completely, and the DSC measurement in the amorphous state does not show a single elevated temperature crystallization temperature. Furthermore, since the reaction is carried out at a temperature considerably higher than the melting points of the polyamide and polyester components, there is a problem that thermal decomposition occurs in the ester and amide components until the reaction is completed, and sufficient mechanical strength cannot be obtained. .
[0019]
On the other hand, according to the present invention, in addition to the aliphatic polyamide and the aliphatic polyester, in the presence of a cyclic ester or a cyclic amide, a transparent homogeneous liquid state showing a temporary completion state of the ester-amide exchange (according to this) The crystallization temperature in the temperature rising process from the amorphous state in the resulting polyester amide copolymer is obtained in a relatively short time, and then the condensation polymerization is proceeded at a lower temperature as a whole. Polyesteramide copolymers have been found that have undergone ester-amide exchange sufficient to provide biodegradability while maintaining a sufficiently high molecular weight (solution viscosity) to provide mechanical strength.
[0020]
According to the knowledge of the present invention and the like, in the produced polyesteramide copolymer, the average molecular chain length in the polyamide block is 3 or more, and the solution viscosity (inherent viscosity) of the polyesteramide copolymer is 0.7 dl / g or more. More preferably, it is 0.8 dl / g or more, and more preferably 0.9 dl / g or more, in order to increase physical properties such as heat resistance and mechanical strength of the produced polyesteramide copolymer. Remarkably preferred. On the other hand, the average molecular chain length of the polyester block in the polyesteramide copolymer is preferably smaller than that in the polyamide block, and more specifically within the range of 1-2.
[0021]
The use of the raw material components is determined so that the above-described preferred molecular weight and average molecular chain length in the produced polyesteramide copolymer can be realized.
[0022]
More specifically, the proportion in which the polyamide content in the resulting polyesteramide copolymer is 50 to 95 mol%, particularly 60 to 90 mol%, and the polyester content is 5 to 50 mol%, particularly 10 to 40 mol% is preferable. Used. In the above three raw materials (aliphatic polyamide, aliphatic polyester and cyclic ester or cyclic amide), the aliphatic polyamide is 25 to 85 mol%, particularly 30 to 81 mol%, and the aliphatic polyester is 4.5 to 25 mol. %, In particular 9 to 20 mol%, cyclic esters in the range 0.5 to 25 mol%, in particular 1 to 20 mol%, or cyclic amides in the range 9 to 30 mol%, in particular 9.5 to 25 mol%, It is determined so as to satisfy the range of the polyamide content and the polyester content in the resulting polyesteramide copolymer.
[0023]
According to the method for producing a polyesteramide copolymer of the present invention, the above-mentioned aliphatic polyamide, aliphatic polyester, and cyclic ester or cyclic amide are heated at a temperature between about 190 ° C. and about 300 ° C., which is the melting point of the polyamide. The ester-amide exchange is preferably carried out at a temperature in the range 210-280 ° C. In this case, generally, a conventional transesterification catalyst such as (anhydrous) zinc acetate, zinc stearate, tetra-n-butyl titanate is used in an amount of 0.1 to 10 parts by weight, particularly 0 Coexist in the range of 2-1.0 parts by weight. By holding the raw material mixture at the above temperature for 1 to 15 hours, particularly 2 to 10 hours, a transparent homogeneous liquid state indicating the end of the ester-amide exchange is reached (accordingly, in the produced polyesteramide copolymer) The crystallization temperature in the temperature rising process from the amorphous state is unified).
[0024]
When the system reaches a transparent homogeneous liquid state, the temperature of the system is changed as soon as possible, specifically 150 to 260 ° C., particularly 170 to 230 ° C., and in the temperature range (preferably less than the ester-amide exchange reaction temperature. The polycondensation is carried out by lowering the temperature to a temperature lower by at least 0 ° C., particularly 20 to 100 ° C. Even after reaching the transparent homogeneous liquid state, if the system is stopped at the ester-amide exchange temperature, the depolymerization of the polyamide block proceeds, and the average molecular chain length required for the physical properties of the produced polyesteramide copolymer is 3 or more. Will not be satisfied.
[0025]
This condensation polymerization is continued until the stirring torque increases and becomes almost constant.
[0026]
Manufacturing method through obtained Lupo Li ester amide copolymer of the present invention described above, the form of a block copolymer of aliphatic polyamide and an aliphatic polyester as described above, the inherent viscosity corresponding to the number-average molecular weight 0.7 dl / g or more, preferably 0.8 dl / g or more, more preferably 0.9 dl / g or more, the average molecular chain length of the polyamide block is 3 to 10, more preferably 4 to 8, and the average molecule of the polyester block The chain length is in the range of 1 to 2, more preferably in the range of 1.2 to 1.7. Further, at the time of temperature rise, a single crystallization temperature is shown in a temperature range of 10 to 150 ° C., and a melting point is shown in a range of 150 to 210 ° C.
[0027]
The polyesteramide copolymer according to the present invention is a biodegradable plastic having improved physical properties, fiber products such as fishing lines, fish nets and agricultural nets, and various film products useful as food packaging materials through extrusion and stretching. Can be used for molding.
[0028]
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples. The polyesteramide copolymer obtained in each example was measured for the following physical properties.
[0029]
1. Thermal properties Measurement was performed using DSC7 manufactured by Perkin Elmer. The measurement temperature range is 10 ° C to 250 ° C. The heating / cooling rate is 10 ° C / min.
[0030]
2. Primary structure (Structural analysis method by 13 C-NMR)
Ester / amide ratio The ratio is determined by the size of each carbonyl carbon peak of polyester / polyamide.
[0031]
-Bond ratio Focus on the ester bond and the methylene carbon peak adjacent to the carbonyl carbon involved in the bond. When an amide-ester or ester-amide peak is generated by the ester-amide exchange reaction, the peak of the methylene carbon bonded to the carbonyl carbon involved in the bond is shifted. It is possible to determine each bond ratio of amide-amide, amide-ester, ester-ester, ester-amide from the ratio of the original peak to the shifted peak and the ester / amide ratio.
[0032]
-Average block length Assuming that the produced polylactone amide is polymerized as a single molecular chain, it can be obtained from the result of arrangement so as to match the bond ratio obtained earlier.
[0033]
3. Biodegradability (under compost conditions)
Measurement was performed using a microorganism oxidative decomposition apparatus (product name “MODA”) manufactured by Ryosan Products. That is, 10 g of the pulverized sample was mixed with a microbial source and sea sand, filled into a reaction tube, and carbon dioxide was removed from the reaction tube maintained at 58 ° C. at a rate of 20 ml / min for 45 days. Supply. From the reaction cylinder, carbon dioxide ammonia and water from microbial decomposition react. Of these, only carbon dioxide is selectively recovered, its amount is measured, and carbon dioxide to be generated from the total amount of carbon in the sample. The ratio with the amount was calculated, and the ratio of 3% or more was regarded as biodegradable, and the ratio of less than 3% was regarded as no biodivision.
[0034]
4). Solution viscosity A sample solution was prepared so that the sample amount was 4.0 g per 1 L of hexafluoroisopropanol. The viscosity of the test solution was measured using a Ubbelohde viscometer in a 25 ° C. water bath.
[0035]
5. Linear strength ◎ Sample preparation A monofilament having a diameter of about 0.2 mm was molded using a φ35 m extruder under the following conditions.
[0036]
[Outside 1]
Extrusion temperature: 195 ° C
・ Cooling tank temperature: 5 ℃
・ One-stage stretching: 4.30 times @ 23 ° C
-Two-stage stretching: 1.57 times @ 140 ° C
-Total draw ratio: 6.75 times-Heat treatment and relaxation: None [0037]
◎ Strength Measurement The tensile strength of the obtained monofilament was measured using Tensilon (RTM-100 type) manufactured by Orientec.
[0038]
[Outside 2]
Test temperature: 23 ° C
・ Sample length: 300mm
・ Tensile speed: 300mm / min
[0039]
(Example 1)
In a reaction vessel, 6 nylon, polycaprolactone and ε-caprolactone were charged in a 70: 21: 9 molar ratio, maintained at 220 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then the set temperature was increased to 260 ° C. 6 After the nylon is melted, gradually increase the stirring speed, and further raise the temperature of the system to 270 ° C., then add 0.5 parts by weight of zinc acetate (catalyst) to 100 parts by weight of the total charge, An ester-amide exchange reaction was initiated.
[0040]
The reaction was continued at 270 ° C., and after about 6 hours, the system changed from a cloudy state to a transparent homogenized state. Therefore, it was determined that the ester-amide exchange was completed, and the temperature was lowered to 220 ° C. while stirring was continued. . Condensation polymerization was continued at this temperature for about 10 hours, and then cooled to obtain a polyesteramide copolymer according to the present invention.
[0041]
The obtained polyesteramide copolymer has a melting point = 180 ° C., a temperature-rising crystallization temperature = 27 ° C. (single), an average molecular chain length in the polyamide block = 5.7, an average molecular chain length in the polyester block = 1. 4. Inherent viscosity (η inh ) = 1.0 dl / g. The composting treatment under microbial oxidation conditions at 58 ° C. for 45 days showed a carbon dioxide gas generation rate of about 15%, and was judged to be biodegradable. Further, when a monofilament having a diameter of about 0.2 mm was formed and the linear tensile strength was measured, a value of 670 MPa was shown.
[0042]
The summary of the production of the polyesteramide copolymer and the result of the characteristic measurement are shown in Table 1 below together with the results of the following examples and comparative examples.
[0043]
(Example 2)
A polyesteramide copolymer was produced in the same manner as in Example 1 except that the ester-amide exchange reaction at 270 ° C. was continued for 4 hours after reaching the transparent liquid state in about 6 hours, and the physical properties were measured. went.
[0044]
As a result, a decrease in the inherent viscosity and average molecular chain length of the polyamide was observed, and the linear tensile strength of the monofilament was also reduced to 320 MPa, but still at the level obtained by the conventional method (55 MPa according to Comparative Example 3 described later). In comparison, a considerably high strength was obtained.
[0045]
(Example 3)
As in Example 1, except that 6 nylon, polycaprolactone and ε-caprolactam were used as raw materials in a molar ratio of 49:30:21 and the ester-amide exchange reaction was carried out at a temperature of 300 ° C. for 1.3 hours. A polyesteramide copolymer was produced and measured for physical properties.
[0046]
(Comparative Example 1)
Polyesteramide copolymer was used in the same manner as in Example 1 except that 6 nylon, polycaprolactone and ε-caprolactone were used as raw materials in a molar ratio of 50:35:15 and the polycondensation reaction at 220 ° C. was not performed. A coalescence was produced and the physical properties were measured.
[0047]
(Comparative Example 2)
Physical properties for comparison were measured using commercially available 6 nylon (“A1020BRL” manufactured by Unitika). Melting point, inherent viscosity, linear strength, etc. showed a slightly higher temperature than the polyesteramide copolymer of the example, but the amount of carbon dioxide generated in the compost treatment was 0%, and no biodegradability was observed. .
[0048]
(Comparative Example 3)
As raw materials, except that 6 nylon, polycaprolactone and ε-caprolactone were used in a molar ratio of 70:30, the ester-amide exchange reaction was performed at a temperature of 280 ° C. for 2 hours, and the polycondensation reaction at 220 ° C. was not performed. In the same manner as in Example 1, a polyesteramide copolymer was produced and measured for physical properties.
[0049]
The obtained polyesteramide copolymer showed peaks of crystallization temperature at 13 ° C. and 21 ° C. when the DSC was heated, indicating that the ester-amide exchange reaction was insufficient, and the linear tensile strength was 55 MPa. It showed a fairly low value.
[0050]
(Comparative Example 4)
According to the description in JP-A-7-157557, a polyesteramide was produced by the P / P method. That is, as a raw material, 6 nylon and polycaprolactone were charged at a molar ratio of 70:30, and 4 parts by weight of water and 0.5 parts by weight of catalyst were added thereto. The mixture was heated to 270 ° C. under a nitrogen atmosphere and reacted for 4 hours with stirring. Thereafter, the atmosphere in the apparatus was reduced, water was distilled off, and when the torque was sufficiently increased, the pressure was returned to normal pressure. After discharging, the molten reaction product was allowed to cool to obtain a copolymer.
[0051]
The results of the above examples and comparative examples are collectively shown in the following Table 1.
[0052]
[Table 1]
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, as shown in comparison with the examples and comparative examples shown in Table 1 above, the aliphatic polyamide, the aliphatic polyester which is a ring-opening polymer of a cyclic ester, and the cyclic ester or cyclic amide. By subjecting the mixture to an ester-amide exchange reaction and a condensation polymerization reaction at a lower temperature in succession, it is excellent in biodegradability and excellent in physical properties represented by high strength and high heat resistance. In addition, a polyesteramide copolymer is provided that exhibits excellent suitability as a packaging material for various products including textile products such as agricultural nets and foods.
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