JP2000509320A - 有機モノマーまたは助剤の分離方法 - Google Patents

有機モノマーまたは助剤の分離方法

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ブリンマー,ヨアヒム
ジルトル,ヴォルフガング
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ヨアヒム・ブリンマー・インジェニエーアビュロー・アンラーゲンバウ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、圧縮し乾燥した二酸化炭素を溶媒として用い、有機ポリマーの合成または重合反応に使用される有機モノマーまたは助剤を、合成によって得られたプレポリマーから抽出することによって分離する方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 有機モノマーまたは助剤の分離方法 本発明は、臨界圧および臨界温度を超える熱力学的状態の圧縮二酸化炭素を溶 媒として用い、有機ポリマーの合成または重合反応に使用される有機モノマーま たは助剤を、合成によって得られたプレポリマーから抽出することによって分離 する方法に関する。 US-4,871,460には、合成に用いた過剰に存在する熱化学的未変換モノマー並 びに合成に助剤として用いた添加剤、例えば溶媒、希釈剤、安定化剤、開始剤な どをプレポリマーから除去するのに用いられる方法が、開示されている。ここで は、二酸化炭素は、湿分を含んだ超臨界状態で導入されている。この方法で分離 されたモノマーまたは助剤は、比較的高い割合で湿分を含んだ状態で回収される ため、さらなる用途、例えば製造工程への戻しに適していない。 ドイツ特許DE3,836,093、DE4,136,490およびDE4,232,015並びにDEA1 -2,414,391およびヨーロッパ特許0,464,483および0,340,584は、モノマーおよび /またはポリマーの種々の分離方法を同様に開示する。これら既知の方法では、 例えばプレポリマー中で中和されるモノマーと反応しうる付加的な助剤が、中和 のために、プレポリマーに添加される。その結果、中和による化学プロセスによ って、モノマーと、中和のために添加された助剤との反応生成物がプレポリマー 中に残存する。既知の方法に共通の別の欠点は、分離したモノマーが不純物を含 んでさらなる合成に不適当であるため、廃棄する必要があり、コスト高となるこ とである。 本発明の目的は、前記した形式の方法を、モノマーまたは助剤を実質的に湿分 を含まずに回収してモノマーの再使用、特にモノマーの製造プロセスへの直接的 な戻しを可能にするように、改善することである。 本発明によれば、この目的は、臨界圧および臨界温度を超える熱力学的状態の 圧縮二酸化炭素を溶媒として用い、有機ポリマーの合成または重合反応に使用さ れる有機モノマーまたは助剤を、合成によって得られたプレポリマーから抽出す ることによって分離する方法によって達成される。本発明の方法は、上記二酸化 炭素を、プレポリマーと一緒にする前に、20ppmよりも低い湿分に乾燥するこ とを特徴とする。 本発明の方法は、精製したプレポリマー中の残留モノマー含量を0.1%よりも 小さい値に減少させることができ、このため、精製プレポリマーの付加的な処理 において、含まれうるモノマーための特別な保護手段を採用する必要がない。加 えて、乾燥した二酸化炭素の使用によって、分離モノマーは、例えば99.8%まで の高純度で堆積し、このため、合成に再使用することができ、かつ面倒な方法で 廃棄する必要もない。また、乾燥二酸化炭素は、さらなる抽出に戻すことができ る。これにより、放出物を全く排出しない閉鎖抽出循環路が可能になる。付加的 ないずれの化学物質も使用する必要がない。さらに、二酸化炭素による保護ガス 作用を利用して特に精製プレポリマーをコンテナ化できるという、事実が存在す る。酸素または水分によるプレポリマーの劣化は、簡易な方法によって防止する ことができる。全体的に見て、著しく改善した生成物の品質が得られると同時に 、用いた原料であるモノマーまたは助剤の完全な再循環が可能になる。 抽出のため、圧縮し乾燥した二酸化炭素をプレポリマーに接触させる。次いで 、二酸化炭素によって、モノマーまたは助剤をプレポリマーから溶出させ、二酸 化炭素中に溶解させる。このようにして、プレポリマー中のモノマーまたは助剤 含量を減少させる。 天然物の抽出回収ための高圧二酸化炭素抽出法は、これまでによく知られてい る(ドイツ特許DE2,127,618、DE2,127,611およびDE4,335,321)。しかしな がら、高圧二酸化炭素抽出法を適用して得られた経験によると、有機ポリマーの 合成または重合反応に使用される有機モノマーまたは助剤をプレポリマーから分 離する方法には、合成の観点から、不適当のようである。すなわち、これまでの 用途によれば、二酸化炭素は親油性物質に適した溶媒である一方、親水性極性物 質は、二酸化炭素中に不溶性であることが、わかっている。 以上のことは、次のようなホップ抽出の例において明白である。親油性成分は 、高圧二酸化炭素抽出によって全量抽出物として回収される一方、親水性極性物 質 (セルロース、糖類、デンプン)は、残留物として残る。このようにして得られ た抽出物または混合物は、非常に多種類の親水性物質、例えば、a-酸、b-酸、ホ ップオイル、芳香族物質などを含み、これらの物質が類似の溶液挙動を示すため 、高圧二酸化炭素抽出法によって、さらに、個々の物質に分解したり、個々のフ ラクションに分離することができない。 天然物についてと同様に、試験したポリマー混合物も、著しい親油性挙動、即 ちヘキサン中で所定程度の良好な溶解性を示し、ある種のポリマーでは、ヘキサ ンとの完全な混和性を示す。したがって、当業者ならば、主成分として親油性成 分を含み、かつ親油性特性、例えばヘキサン中での可溶性を示すような物質から なる混合物は、高圧二酸化炭素抽出法によって個々の成分にさらに分離すること は不可能であると、考えるに違いない。 しかしながら驚くべきことに、本発明者らによれば、高圧二酸化炭素抽出法に よってプレポリマーからモノマーまたは助剤を分離できることが判明した。 試験結果に示されるように、例えばモノマー、アクリレートおよびメタクリレ ート、アルデヒド、ジオキサンおよび低分子量環状エステル並びにジイソシアネ ート(TDI、MDI、HDI、IPDI、H12MDIなど)を、プレポリマ ー分解物から実質的に残留物が生じることなく分離することができる。 加えて、例えばある種のポリマーの物性に悪影響を与えうる、やっかいなオリ ゴマー合成成分を、前記したモノマーと一緒に除去できることが判明した。 特に驚くべきことに、従属クレームの方法によれば、関連モノマーの選択的分 離が高純度で得られることが判明した。 二酸化炭素は、好適にはその臨界圧および臨界温度を超える熱力学的状態で使 用される。二酸化炭素の臨界圧は、73.8barであり、臨界温度は、31.06℃である 。二酸化炭素の臨界圧および臨界温度を超えれば、抽出されるモノマーまたは助 剤に対する二酸化炭素の溶解力は、非常に高い。 二酸化炭素の超臨界圧および超臨界温度での増大した溶解力の利点を十分に達 成するため、プレポリマーおよび純粋な乾燥二酸化炭素溶媒(湿分含量20ppm 未満)を、100〜320barの圧力にする方法が好適である。これに対応して、プ レポリマーおよび溶媒を温度40〜80℃で一緒にする方法が好適である。二酸化炭 素の増大した溶解力は、選択した温度範囲ですでに存在するが、プレポリマー中 に含まれた物質は、分解する危険がない。 市販の二酸化炭素の乾燥は、次のように実施される。乾燥のため、二酸化炭素 を平衡圧で−50℃未満(例えば14.5barで−70℃)の露点に冷却し、次いでシリ カゲルまたはモレキュラーシーブ内を通過させる。このようにして得られた乾燥 二酸化炭素は、20ppm未満の湿分含量を含み、次いでこの二酸化炭素を液化し 、プレポリマーと反応させてもよい。 さらに、二酸化炭素をまずプレポリマーに接触させて抽出処理を開始した後に 二酸化炭素中に溶解したモノマーをプレポリマーから二酸化炭素と一緒に分離す る方法が、好適である。二酸化炭素をそこに溶解したモノマーと共に、プレポリ マーから分離するため、例えば、モノマー富二酸化炭素を引き抜くと同時に、純 粋な二酸化炭素を供給すると、最終精製プレポリマーは、二酸化炭素雰囲気中に 存在させることができる。ここでは、二酸化炭素は、保護ガスとして作用して、 精製プレポリマーおよびモノマーが湿分または酸と接触することを防止する。 好適な方法によれば、二酸化炭素中に溶解したモノマーは、二酸化炭素を溶解 モノマーと一緒にプレポリマーから分離した後に、取り出される。このようにし て、再使用が可能な、実質的に純粋な二酸化炭素並びに実質的に純粋なモノマー を回収することができる。 モノマーの分離は、有利には圧力20〜80barで実施する。同時に、温度は、有 利には−10〜+40℃の範囲である。これらの圧力および温度において、二酸化炭 素は、好適な抽出圧力および温度よりも、モノマーに対する溶解力が著しく低く 、このため、当初は溶解していたモノマーが二酸化炭素から分離される。分離し たモノマーは、有利には合成のために再使用される。モノマーの分離後、二酸化 炭素は、付加的なモノマー抽出のために同様に再使用される。 プレポリマーと溶媒を一緒にする工程および二酸化炭素をそこに溶解したモノ マーと一緒に取り出す工程は、有利には連続的に行う。このために、溶媒として の二酸化炭素およびプレポリマーは、有利には、これらの物質ができるだけ大き い面積で相互に接触するような向流方法で相互に流動させ、これにより効率的な 抽出プロセスが可能となって、大きい処理量も可能になる。 モノマーの二酸化炭素からの分離も、有利には連続的に実施される。このよう にして回収した二酸化炭素は、さらなる抽出に戻すことができる一方、回収した モノマーは、プレポリマー抽出工程に先立つ合成段階に戻すことができる。この ようにして、二酸化炭素並びにモノマーについて閉鎖循環路が得られ、これによ り、有機ポリマーの合成または重合反応に使用されプレポリマー中に含まれた有 機モノマーの分離のために連続的に消費されるエネルギーがわずかになる。溶媒 および抽出した物質は、再循環される。溶媒は、連続的に添加する必要もなく、 かつ処理されるべき堆積生成物を連続的に廃棄する必要もない。 したがって、本発明は、有機ポリマーの合成または重合反応に使用されプレポ リマー(ポリマー)中に含まれた有機モノマー/助剤についての非常に低コスト で環境的に妥当な分離法が可能になる。抽出のため、精製されるプレポリマーは 、有利には液体または粘稠形態で存在すべきである。 好適な方法によれば、イソシアネートをプレポリマーから分離する。 同様に、アルデヒド、ジオキサン、環状エステルおよび/またはグリコールを プレポリマーから分離する方法が好適である。 好適な別の方法によれば、アクリル系エステルおよび/またはメタクリル系エ ステルをプレポリマーから分離する。 また、プレポリマーから前記プロセスに付随して添加した担体、特に、開始剤 、希釈剤または安定化剤を分離する方法も好適である。 実施例 次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。 図面は、高圧抽出用装置の略図である。 高圧抽出用装置において、受容タンク10、第1熱交換器12、流量計14、計量ポ ンプ16、分離カラム18および排出バルブ20は、連続的に接続されている。 タンク10には、有機ポリマー合成用のプレポリマーと共にそこにふくまれたモ ノマーまたは助剤、すなわちポリマーとモノマーの混合物が存在する。この混 合物は、タンク10から熱交換器12に入り、ここで、混合物が抽出に適した粘度を 有するようにその温度が調節される。次いで、混合物は、流量計14内を流動し、 ポンプ16によって分離カラム18に送られる。 抽出は、カラム18で行う。ポリマー合成用の精製プレポリマー(ポリマー)は 、分離カラム18の底部排出バルブ20を介し、ラフィネートとして排出することが できる。 抽出のため、純粋な溶媒、即ち湿分含量20ppm未満の精製乾燥二酸化炭素は 、カラム18に連続的に供給される。溶媒用の入口は、分離カラム18の底部域に位 置し、他方、混合物用の入口は、カラム18の上部域に存在する。他方、精製ポリ マー用の排出印ま、分離カラム18の底部域に位置し、溶媒およびそこに溶解した モノマ一ー用の排出印ま、分離カラム18の上部域に位置し、これらにより、カラ ム18において、ポリマーおよび溶媒は、向流で横断する。これは、有効な抽出に 役立つ。加えて、分離カラム18は、ポリマーおよび溶媒がカラム18内で相互に接 触する面積ができるだけ大きくなるように設計されている。 分離カラム18の抽出圧PEおよび抽出温度TEは、有利には、二酸化炭素が圧力 並びに温度に関し超臨界熱力学的状態になるように、選択される。抽出されるモ ノマーまたは助剤に対する二酸化炭素の溶解力は、この熱力学的状態で特に高い 。 溶媒循環路のため、装置は、第1圧力制御バルブ22、分離器24、第2圧力制御 バルブ26、循環路バルブ28、二酸化炭素液化装置30、二酸化炭素コレクター32、 液体二酸化炭素ポンプ34、二酸化炭素流量計36および第2熱交換器38を、前記し た分離カラム18に加えて、備える。液体二酸化炭素用ポンプ34によって、まず、 二酸化炭素を二酸化炭素コレクター32から第2熱交換器38内に送り、ここで二酸 化炭素を抽出温度TEに調節して、分離カラム18に送り、ここで抽出圧PEになる まで調節する。 抽出圧PEに達したら、第1圧力制御バルブ22を開放すると、溶媒(二酸化炭 素)は、そこに溶解したモノマーと共に、第1圧力制御バルブ22を介して分離カ ラム18から排出することができる。このようにすると、液体二酸化炭素ポ ンプ34によって、同量の溶媒のみがカラム18に送られる。したがって、連続的二 酸化炭素処理量で一定の抽出圧PEが形成される。 第1圧力制御バルブ22において、分離カラム18から排出された溶媒は、膨張し て低圧(分離圧PA)になり、次いで加熱可能な分離タンク24内に入る。そこで 、分離圧PAはまず形成される。この圧力に達したら、第2圧力制御バルブ26を 開放し、その後、分離圧PAを一定に維持する。 分離器24は、分離カラム18の主温度および主圧力に対し、モノマーまたは助剤 の溶解力が著しく低下するような温度および圧力で操作される。その結果、分離 器24において、モノマーまたは助剤は、溶媒から定量的に析出し、分離器24の底 部バルブ40を介し抽出物として排出することができ、次いで合成反応器(図示せ ず)に戻る。 精製した二酸化炭素溶媒は、分離器24から流出して、第2圧力制御バルブ26お よび循環路バルブ28を介し、二酸化炭素液化装置30に送られる。 二酸化炭素は、液化装置30で液化され、次いでコレクター32に集められる。こ こから、液体二酸化炭素は、液体二酸化炭素ポンプ34によって二酸化炭素流量計 36および第2熱交換器38を介し、分離カラム18に戻る。これにより、溶媒用の循 環路は、閉じられる。 二酸化炭素は、第2熱交換器において必要な抽出温度に調節される。 抽出圧PEは、第1圧力制御バルブ22によって、加圧カラム18において保持さ れる。 これに対応して、必要な圧力PAは、第2圧力制御バルブ26によって分離器24 において保持される。 溶媒循環路内に乾燥二酸化炭素を導入するため、循環路バルブ28を閉じた状態 で、二酸化炭素を二酸化炭素タンク(図示せず)から、供給バルブ42およびモレ キュラーシーブフィルター44並びに第2供給バルブ46および二酸化炭素液化装置 30を介し、コレクター32に送る。プロセスパラメーターが達成されれば、第1供 給バルブ42,46を閉じ、循環路バルブ28を開放する。 モレキュラーシーブフィルターは、有利には孔直径約4Åを有する。 必須のプロセスパラメーターは、分離カラム18の抽出圧PEbarおよび抽出温度 TE℃並びに分離器24の分離圧PAbarおよび分離温度TA℃である。別のプロセス パラメーターは、(二酸化炭素)対(原料、即ちポリマー)の物質流の比である。 以下、この比率を処理量係数と呼ぶ。 モノマーの種類に応じ、本発明の方法を実施した種々の温度および圧力におけ る、湿分含量約2.5ppm未満の乾燥二酸化炭素の密度を、表1に掲げた。抽出 に関し、抽出圧PEと抽出温度TEの好適なパラメーターの組み合わせを表1にお いて確認した。表1において、対応する好適な組み合わせの二酸化炭素密度を太 字で示す。すなわち、表1に示すように、抽出圧150barでは抽出温度50〜60℃が 特に好適であり、その二酸化炭素密度は、0.63〜0.73g/cm3である。抽出圧20 0barでは、好適な抽出温度は、50〜70℃で、その二酸化炭素密度は、0.68〜0.8 g/cm3である。抽出圧250barでは、抽出温度70〜80℃および対応する二酸化炭 素密度0.7〜0.75g/cm3が好適である。抽出圧300barでは、抽出温度は、80℃ 付近にすべきであり、これに対応する二酸化炭素密度は、0.76g/cm3である。 分離器に適したプロセスパラメーターは、分離圧PA0.55barおよび分離温度TA 30℃である。二酸化炭素の密度は、0.15g/cm3である。 いくつかの佃出実施例を以下のように行った。実施例1:ポリウレタン 出発物質は、モノマーとしてHDI(ヘキサメチレン-1,6-ジイソシアネート )を含む、合成によって得られたポリウレタンプレポリマーである。ポリマーお よびモノマー(HDI)を含むプレポリマーを合成によって得、これを、本発明 の方法に従い、乾燥二酸化炭素で精製してモノマー(HDI)を分離した。プロセスパラメーター 溶媒:乾燥二酸化炭素(湿分含量:2.5ppm) 抽出圧PE=200bar 抽出温度TE=60℃ 二酸化炭素密度(PE/TE)=0.74g/cm3 分離圧PA=55bar 分離温度TA=30℃ 酸化炭素密度(PA/TA)=0.15g/cm3 処理量係数=(二酸化炭素8Kg/時)/(プレポリマー1Kg/時) 結果: *モノマーは検出されず。 実施例2:アクリル系ポリマー 出発物質は、モノマーとしてETAC(酢酸エチル)を含む、合成によって得 られたアクリル系プレポリマーである。ポリマーおよびモノマー(ETAC)を 含むプレポリマーを合成によって得、これを、本発明の方法に従い、乾燥二酸化 炭素で精製してモノマー(ETAC)を分離した。プロセスパラメーター 溶媒:乾燥二酸化炭素(湿分含量:2.5ppm) 抽出圧PE=250bar 抽出温度TE=70℃ 二酸化炭素密度(PE/TE)=0.75g/cm3 分離圧PA=55bar 分離温度TA=30℃ 二酸化炭素密度(PA/TA)=0.15g/cm3 処理量係数=(二酸化炭素7.5Kg/時)/(プレポリマー1Kg/時) 結果: *モノマーは検出されず。 実施例3:ポリエステルジオール 出発物質は、モノマーとしてジオキサンを含む、合成によって得られたポリエ ステルジオールプレポリマーである。ポリマーおよびモノマー(ジオキサン)を 含むプレポリマーを合成によって得、これを、本発明の方法に従い、乾燥二酸化 炭素で精製してモノマー(ジオキサン)を分離した。プロセスパラメーター 溶媒:乾燥二酸化炭素(湿分含量:2.5ppm) 抽出圧PE=150bar 抽出温度TE=50℃ 二酸化炭素密度(PE/TE)=0.73g/cm3 分離圧PA=55bar 分離温度TA=30℃ 二酸化炭素密度(PA/TA)=0.15g/cm3 処理量係数=(二酸化炭素9Kg/時)/(プレポリマー1Kg/時) 結果: *モノマーは検出されず。 実施例4 ポリマー合成用の担体としてTHF(テトラヒドロフラン)MEK(メチルエ チルケトン)を用いた。ポリマーおよび担体(THF、MEK)を含むプレポリ マーを合成によって得、これを、本発明の方法に従い、二酸化炭素で精製して担 体(THF、MEK)を分離した。プロセスパラメーター 溶媒:乾燥二酸化炭素(湿分含量:2.5ppm) 抽出圧PE=250bar 抽出温度TE=70℃ 二酸化炭素密度(PE/TE)=0.74g/cm3 分離圧PA=55bar 分離温度TA=30℃ 二酸化炭素密度(PA/TA)=0.15g/cm3 処理量係数=(二酸化炭素5Kg/時)/(プレポリマー1Kg/時) 結果: *モノマーは検出されず。 以上、実施例1〜4に掲げた試験結果は、有機ポリマーの合成または重合反応に 使用されプレポリマー(ポリマー)中に含まれる有機モノマーまたは助剤を分離 する方法を実施することによって得られた結果である。 本発明の方法の有効性を証明するために、比較試験を行った。比較試験は、実 施例1に準じ、溶媒として湿分含量70ppmの二酸化炭素を用いて行った。二酸 化炭素処理によって回収したHDI(ヘキサメチレン-1,6-ジイソシアネート) モノマーの純度は、91%であると測定された。 比較試験 出発物質は、モノマーとしてHDI(ヘキサメチレン-1,6-ジイソシアネート )を含む、合成によって得られたポリウレタンプレポリマーである。ポリマーお よびモノマー(HDI)を含むプレポリマーを合成によって得、これを、未乾燥 二酸化炭素(湿分含量70ppm)で精製してモノマー(HDI)を分離した。プロセスパラメーター 溶媒:未乾燥二酸化炭素(湿分含量:70ppm) 抽出圧PE=200bar 抽出温度TE=60℃ 二酸化炭素密度(PE/TE)=0.74g/cm3 分離圧PA=55bar 分離温度TA=30℃ 二酸化炭素密度(PA/TA)=0.15g/cm3 結果 二酸化炭素処理によって得られたモノマー(HDI)は、純度91%を有する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.臨界圧および臨界温度を超える熱力学的状態の圧縮二酸化炭素を溶媒とし て用い、有機ポリマーの合成または重合反応に使用される有機モノマーまたは助 剤を、合成によって得られたプレポリマーから抽出することによって分離する方 法において、 上記二酸化炭素を、プレポリマーと一緒にする前に、20ppmよりも低い湿分 含量に乾燥することを特徴とする方法。 2.二酸化炭素は、2.5ppmよりも低い湿分含量に乾燥する請求項1記載の方 法。 3.プレポリマーと乾燥二酸化炭素は、150〜300barの圧力で一緒にする請求項 1または2記載の方法。 4.プレポリマーと乾燥二酸化炭素は、40〜80℃の温度で一緒にする請求項1〜 3のいずれかに記載の方法。 5.二酸化炭素は、乾燥するために、抽出前にモレキュラーシーブまたはシリ カゲル内を通過させる請求項1〜4のいずれかに記載の方法。 6.二酸化炭素ガスは、乾燥するために、平衡圧で−50℃未満の露点に冷却し 、次いでシリカゲルまたはモレキュラーシーブ内を通過させる請求項1〜5のいず れかに記載の方法。 7.乾燥二酸化炭素中に溶解したモノマーは、この二酸化炭素と一緒に、プレ ポリマーから分離する請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 8.乾燥二酸化炭素に溶解したモノマーは、この二酸化炭素を溶解モノマーと 一緒にプレポリマーから分離した後に分離する請求項7記載の方法。 9.モノマーの分離は、20〜80barで行う請求項8記載の方法。 10.モノマーの分離は、−10〜+40℃の温度で行う請求項8または9記載の方 法。 11.分離したモノマーは、合成のために再使用する請求項8〜10のいずれかに 記載の方法。 12.モノマーの分離後に、乾燥二酸化炭素は、付加的なモノマー分離のため に再使用する請求項1〜11のいずれかに記載の方法。 13.プレポリマーと乾燥二酸化炭素を一緒にする工程および二酸化炭素をそこ に溶解したモノマーと一緒に取り出す工程は、連続的に行う請求項1〜12のいず れかに記載の方法。 14.モノマーは、液体または粘稠プレポリマーから分離する請求項1〜13のい ずれかに記載の方法。 15.プレポリマーから、イソシアネートを分離する請求項1〜14のいずれかに 記載の方法。 16.プレポリマーから、アルデヒド、ジオキサン、環状エステルおよび/また はグリコールを分離する請求項1〜15のいずれかに記載の方法。 17.プレポリマーから、アクリル系エステルおよび/またはメタクリル系エス テルを分離する請求項1〜16のいずれかに記載の方法。 18.プレポリマーから、前記プロセスに付随して添加した担体、特に、開始剤 、希釈剤または安定化剤を分離する請求項1〜17のいずれかに記載の方法。
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