JP2002080505A - ポリマー粒子の製造法 - Google Patents
ポリマー粒子の製造法Info
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Abstract
油分や溶剤可溶分が少ないポリマー粒子の製造法の提
供。 【解決手段】 溶剤中、分散剤及び重合開始剤存在下に
てビニルモノマー(以下モノマーという)を重合してポ
リマー粒子を得るに際し、モノマーの重合率が1〜10
0%の重合反応中に、モノマー100重量部に対して架
橋性ビニルモノマー0.099〜47重量部を添加する
ポリマー粒子の製造法。
Description
料、塗料、潤滑剤等に使用されるポリマー粒子の製造法
に関する。
ーは溶解するが生成するポリマーは溶解しない溶剤中
で、生成したポリマーを分散させる分散剤の存在下で重
合し、ポリマー粒子を製造する方法は分散重合法と呼ば
れ、粒径分布の狭いポリマー粒子が比較的短時間に高濃
度で得られるという特徴を有している。
つか報告されており、一般に、架橋剤量が多いと粒子凝
集や粒子表面の異形化が起こり、少ないと架橋が掛から
ず粒子の溶剤可溶分が多くなる。特開平7−14980
7号公報では、特定の分散重合溶剤(イソアルカノール
溶剤)を使用し、架橋剤を時間制御及び監視下で添加す
ることで球状の単分散重合体粒子を製造する方法を開示
している。 しかし、他の溶剤中では、粒子凝集や粒子
表面の異形化が起こり、粒子表面の滑らかな球状のポリ
マー粒子の製造は困難であった。
かな球状の且つ製品配合時の油分や溶剤可溶分が少ない
ポリマー粒子の製造法を提供することにある。
剤及び重合開始剤存在下にてビニルモノマー(以下モノ
マーという)を重合してポリマー粒子を得るに際し、モ
ノマーの重合率が1〜100%の重合反応中に、モノマ
ー100重量部に対して架橋性ビニルモノマー(以下架
橋剤という)0.099〜47重量部(以下、重合架橋
剤量という)を添加するポリマー粒子の製造法を提供す
る。
ーは、通常のラジカル重合性ビニルモノマー(α置換体
を含む)が好適に用いられる。モノマーの具体例とし
て、スチレン、炭素数1〜22のアルキル(メタ)アク
リレート(ここで「アルキル(メタ)アクリレート」と
は、アルキルアクリレート又はアルキルメタクリレート
を意味し、以下同様の意味で「(メタ)」を用い
る。)、(メタ)アクリロニトリル、アクリルアミド、
酢酸ビニル、ビニルピロリドン等が挙げられ、これらは
単独もしくは2種以上を混合して(共)重合することが
できる。
り、反応性を付与したりする目的で、(メタ)アクリル
酸、マレイン酸、イタコン酸等のα,β−不飽和カルボ
ン酸、無水マレイン酸、クロロメチルスチレン、グリシ
ジル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリロイルオキ
シエチルイソシアネート、3−(トリメトキシシリル)
プロピル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチル
(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アク
リレート、ビニルピリジン等のモノマーを単独重合又は
共重合させることもできる。
重合の遅延、分散不安定化、粒径分布の拡大、重合反応
の暴走等の問題を引き起こさないために、反応系中1〜
50重量%が好ましく、2〜30重量%が更に好まし
い。モノマー濃度もまた粒子径を変化させる因子であ
り、一般には高いほど粒径が大きくなる傾向がある。
くはその一部をあらかじめ他の成分と混合して使用する
が、例えば高濃度の分散液を得る場合などには、連続的
に反応系内にモノマーを供給しながら重合を行うことが
できる。通常、モノマーは生成するポリマーの良溶剤で
あるため、希釈せずにそのまま供給すると凝集を起こす
ことが多い。このような場合は、モノマーを溶剤で希釈
して供給する。その特別な実施形態として、溶剤の還流
下に分散重合を行い、凝縮液でモノマーを希釈して供給
することができる。
0重量%以下、より好ましくは30重量%以下である。
また、粒径分布の狭いポリマー粒子を得るためには、反
応系内のモノマー濃度は30重量%以下、好ましくは2
0重量%以下で、なるべく急激なモノマー濃度の変化が
ないように制御することが望ましい。通常の分散重合に
おいては、すでに生成したポリマー粒子の重量に比例し
て重合速度が増大していくことから、モノマーは初期は
比較的ゆっくり、後半になるほど速く供給していくこと
が望ましい。
して、例えば、ラウロイルパーオキシド、ベンゾイルパ
ーオキシド、ターシャリーブチルパーオキシピバレー
ト、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート等のパー
オキシド系開始剤、アゾビス(イソブチロニトリル)、
アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、アゾビ
ス(ジメチルイソブチレート)、アゾビス(シクロヘキ
サンカルボニトリル)等のアゾ系開始剤が好適に用いら
れる。
開始剤は分散剤からの水素引き抜き作用により、グラフ
トポリマーを生成し、分散安定性を高めることが知られ
ている。しかし、ポリシロキサン化合物を分散剤に用
い、炭化水素及び/又はシリコーン溶剤中で分散重合を
行うとアゾ系開始剤においても安定に分散を保つことが
できる。
0.03〜3モル%が好ましく、0.1〜1モル%が更
に好ましい。
解して使用されるが、残存モノマーを低減する目的から
重合反応途中で溶剤等に希釈して、一括あるいは連続的
に添加することが可能である。
モノマーを溶解し、生成ポリマーを溶解しないものであ
れば特に制限はないが、非水系溶剤が好ましい。さらに
好ましくは、炭化水素もしくはシリコーン又はそれらの
混合物である。炭化水素系溶剤として、ヘキサン、ヘプ
タン、ドデカン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサ
ン、イソオクタン、水添トリイソブチレン等の脂肪族炭
化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼ
ン等の芳香族炭化水素等が例示され、シリコーン系溶剤
として、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメ
チルシクロペンタシロキサン、ヘキサメチルジシロキサ
ン、オクタメチルトリシロキサン等が例示される。これ
らの中でヘキサンが特に好ましい。
安定性を左右する重要な因子である。一般に生成するポ
リマーとの親和性が高いほど大きな粒子ができる傾向が
ある。
にラジカル重合性基を有するポリシロキサン化合物が好
ましく、片末端にラジカル重合性基を有するポリシロキ
サン化合物として一般式(I)で表される化合物が例示
される。
で表される基を示す。ただし、R1=H又はCH3、R2=H又
はCYH2Y+1 (Y=1〜4の整数)である。 B:-(CH2O)m-CnH2n- (m=0又は1、n=1〜10の整数)
で表される基を示す。 E:CpH2p+1 (p=1〜4の数)で表される基を示す。 a:3〜1500の数を示す。〕 この中でも、本発明の目的を達成するために、一般式
(II)で表されるポリシロキサンが特に好ましい。
キサン化合物(以下、ポリシロキサン化合物と言う)
は、例えばラジカル重合法による連鎖移動法を利用する
方法、あるいはアニオンリビング重合による方法等から
合成できる。
を有するポリシロキサン化合物の数平均分子量(Mn)
は、生成するポリマー粒子の分散安定性及びポリマー粒
子の製造時の操作性の点より、500〜100,000
が好ましく、1,000〜50,000がより好まし
い。
定性及び生成する粒子に求められる特性(粒子径、表面
特性等)により適宜選択されるが、分散安定性及び経済
的な面からモノマーに対して0.1〜20重量%が好ま
しい。
れる架橋性ビニルモノマーは、α置換体を含み、ジビニ
ル系のジビニルベンゼン、ジ(メタ)アクリレート系の
エチレングリコールジ(メタ)アクリレート,ポリエチ
レングリコールジ(メタ)アクリレート等の2官能性架
橋剤、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレー
トやテトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレー
ト等の多官能性架橋剤が挙げられる。これらの中で好ま
しい架橋剤は、ジビニルベンゼン、エチレングリコール
ジ(メタ)アクリレートである。
橋剤、分散剤及び重合開始剤の存在下で重合を開始する
と、核が析出し、次にモノマーや架橋剤が溶剤中から核
に分配され、重合が進行し、ポリマー粒子が生成する。
重合開始時に、モノマーに対して架橋剤量が多いとポリ
マー粒子の凝集や粒子表面の異形化が起こる。この凝集
や粒子表面の異形化は重合開始時の核の不均一なモノマ
ー吸収と核同士の合一が関与していると考えられる。ま
た、重合開始後、重合率1%未満迄は、核部分やポリマ
ー粒子は極めて不安定であり、架橋剤を添加することは
好ましくない。
合率が1〜100%の重合反応中に、モノマー100重
量部に対して架橋剤0.099〜47重量部(以下、重
合架橋剤量という)を添加することにより、ポリマー粒
子の異形化や凝集を発生させず且つポリマー粒子の製品
配合時の油分や溶剤への可溶化量を少なくした分散重合
を行うことができる。好ましくは、モノマーの重合率1
〜100%の重合反応中に、モノマー100重量部に対
して架橋剤0.99〜9重量部(以下、好ましい重合架
橋剤量という)を添加する。
1〜X%(1<X≦97)の間に、重合架橋剤量の1〜
10重量%を添加し、モノマーの重合率が、X〜Y%
(30≦Y≦98)の間に、重合架橋剤量の10〜45
重量%を添加し、モノマーの重合率が、Y〜Z%(50
≦Z≦100)の間に、重合架橋剤量の45〜89重量
%を添加する多段階添加製造法(1)である(但し、X
<Y<Zである)。
2〜X%(2<X≦96)の間に、重合架橋剤量の2〜
6重量%を添加し、モノマーの重合率が、X〜Y%(4
0≦Y≦97)の間に、重合架橋剤量の15〜35重量
%を添加し、モノマーの重合率が、Y〜Z%(65≦Z
≦100)の間に、重合架橋剤量の60〜83重量%を
添加する多段階添加製造法(2)である(但し、X<Y
<Zである)。
おいて、重合架橋剤量が、好ましい重合架橋剤量であっ
てもよい。
階的に添加量を変え、重合後期に架橋剤量を高濃度加え
る上記多段階添加製造法により、ポリマー粒子の異形化
や凝集をより抑制し、安定的な生産をすることが出来
る。
り求めることができる。
反応のモノマー量(未供給量と反応系内に残存している
モノマー量の合計)を差し引いた、式(IV)から求められ
る。ここで反応系内に残存しているモノマー量は、液体
クロマトグラフィー又はガスクロマトグラフィーで定量
できる。またポリマーに転化したモノマー量はサンプリ
ングした反応液の蒸発残量(100℃、1時間処理)を
測定することで、近似的に式(V)からも求められるが、
式(IV)の方が好ましい。
合率が1%以降に添加する架橋剤は、等量に多分割して
添加するか、連続的に添加することが好ましい。その際
に、溶剤で希釈することがさらに好ましい。溶剤の還流
下に分散重合を行う場合は、その凝縮液で架橋剤を希釈
して添加することができる。
と、製品配合時の油分や溶剤に、ポリマーの核部分が可
溶化されるので、モノマーの重合率が0%の時に、モノ
マー100重量部に対して架橋剤0.001〜3重量
部、好ましくは0.01〜1重量部を、モノマーを含む
他の成分と混合して存在させておけば、ポリマー粒子の
凝集や粒子表面の異形化はほとんど発生せず、且つ核部
分が油分や溶剤に可溶化される量が少ないので好まし
い。
マー粒子の溶剤可溶分を少なくし、また粒子の異形化又
は凝集を防ぐために、モノマー100重量部に対して
0.1〜50重量部が好ましく、1〜10重量部が更に
好ましい。
粒子径制御の目的で連鎖移動剤を使用しても良い。かか
る連鎖移動剤の具体例として、ブチルメルカプタン、メ
ルカプトエタノール、チオグリコール酸、ドデカンチオ
ール、メルカプト変性シリコーン等のメルカプタン類、
四塩化炭素、四臭化炭素、ジメチルアニリン、クメン、
α−メチルスチレンダイマー等が挙げられる。
合温度は重合開始剤の分解速度、モノマーと溶剤との親
和性等によって選択され、好ましくは室温〜150℃、
より好ましくは50〜120℃である。溶剤の還流下に
反応を行うことは温度制御及び重合熱除去が容易にでき
る点で好都合である。重合時間は重合開始剤の半減期、
モノマーの反応性によって適宜選択されるが、2時間〜
48時間が好ましい。
合禁止剤や酸素の残存量が生成する粒子径を大きく変動
させる場合があるので、通常のラジカル重合を行う場合
以上にこれらの重合禁止(遅延)因子量を制御すること
が望ましい。
不安定になりやすく、強い剪断がかからずに系全体が混
合されるように行うのが好ましい。
は、機能性粒子の製造の目的で分散重合に悪影響を与え
ない範囲で各種添加剤を共存させることができる。かか
る添加剤の具体例としては、可塑剤、染料、抗菌剤、香
料等である。
リロイル変性ポリシロキサン(チッソ(株)製サイラプ
レーンFM−0725:数平均分子量1万,分散剤)
4.8g、メタクリル酸メチル120g(1.2mo
l)、スチレン40g(0.38mol)、ラウロイルパー
オキシド3.2g(0.008mol)を室温下で仕込
み、窒素置換しながら攪拌を1時間程度行った。オイル
バスを2時間で25℃から溶剤が還流する様に温度設定
し、4ツ口フラスコを25℃のオイルバスに漬けた。約
1時間後、系内が白濁し始め重合開始を確認した(重合
率0.9%)。
ニルベンゼン8.0g(対モノマー5重量%)をn−ヘ
キサン32gで希釈した溶液を4時間かけて連続滴下し
た。ジビニルベンゼン添加開始時の重合率は45%であ
った。重合開始から18時間後に反応を停止してスラリ
ーを得た。
じ片末端メタクリロイル変性ポリシロキサン4.8g、
メタクリル酸メチル120g(1.2mol)、スチレン
40g(0.38mol)、ジビニルベンゼン0.032
g(対モノマー0.02重量%)、ラウロイルパーオキ
シド3.2g(0.008mol)を室温下で仕込み、窒
素置換しながら攪拌を1時間程度行った。オイルバスを
2時間で25℃から溶剤が還流する様に温度設定し、4
ツ口フラスコを25℃のオイルバスに漬けた。約1時間
後、系内が白濁し始め重合開始を確認した(重合率0.
8%)。
4.8g(対モノマー3重量%)をn−ヘキサン32g
で希釈した溶液を3時間かけて連続滴下した。ジビニル
ベンゼン添加開始時の重合率は57%であった。重合開
始から18時間後に反応を停止してスラリーを得た。
リロイル変性ポリシロキサン(チッソ株製サイラプレー
ンFM−0725:数平均分子量1万,分散剤)9.6
g、メタクリル酸メチル180g、スチレン60g、8
1%純度のジビニルベンゼン0.04g、ラウロイルパ
ーオキシド4.8gを室温下で仕込み、窒素置換しなが
ら攪拌を1時間程度行った。オイルバスを2時間で25
℃から溶剤が還流する様に温度設定をし、4ツ口フラス
コを25℃のオイルバスに漬けた。約1時間後、系内が
白濁し始め重合開始を確認した(重合率0.9%)。
0.17g(対モノマー0.07重量%,重合架橋剤量
の2.4重量%)をn−ヘキサン12.5gで希釈した
溶液の滴下を開始した(重合率2%)。重合開始から
3.5時間目(重合率54%)に終了した。引き続き、
ジビニルベンゼン1.80g(対モノマー0.75重量
%,重合架橋剤量の25.0重量%)をn−ヘキサン
6.5gで希釈した溶液の滴下を開始し、重合開始から
4.5時間目(重合率82%)に終了した。引き続き、
ジビニルベンゼン5.22g(対モノマー2.18重量
%,重合架橋剤量の72.6重量%)をn−ヘキサン1
8.5gで希釈した溶液の滴下を開始し、重合開始から
6時間目(重合率91%)に終了した。重合開始から1
8時間後に反応を停止し、スラリーを得た。
リロイル変性ポリシロキサン(チッソ株製サイラプレー
ンFM−0725:数平均分子量1万,分散剤)9.6
g、メタクリル酸メチル180g、スチレン60g、ラ
ウロイルパーオキシド4.8gを室温下で仕込み、窒素
置換しながら攪拌を1時間程度行った。オイルバスを2
時間で25℃から溶剤が還流する様に温度設定をし、4
ツ口フラスコを25℃のオイルバスに漬けた。約1時間
後、系内が白濁し始め重合開始を確認した(重合率0.
9%)。
ゼン0.17g(対モノマー0.07重量%,重合架橋
剤量の2.4重量%)をn−ヘキサン12.5gで希釈
した溶液の滴下を開始した(重合率53%)。重合開始
から5時間目(重合率95%)に終了した。引き続き、
ジビニルベンゼン1.80g(対モノマー0.75重量
%,重合架橋剤量の25.0重量%)をn−ヘキサン
6.5gで希釈した溶液の滴下を開始し、重合開始から
6時間目(重合率96%)に終了した。引き続き、ジビ
ニルベンゼン5.22g(対モノマー2.18重量%,
重合架橋剤量の72.6重量%)をn−ヘキサン18.
5gで希釈した溶液の滴下を開始し、重合開始から7.
5時間目(重合率97%)に終了した。重合開始から1
8時間後に反応を停止し、スラリーを得た。
じ片末端メタクリロイル変性ポリシロキサン4.8g、
メタクリル酸メチル120g(1.2mol)、スチレン
40g(0.38mol)、ジビニルベンゼン1.6g
(対モノマー1重量%)、ラウロイルパーオキシド3.
2g(0.008mol)を室温下で仕込み、窒素置換し
ながら攪拌を1時間程度行った。オイルバスを2時間で
25℃から溶剤が還流する様に温度設定し、4ツ口フラ
スコを25℃のオイルバスに漬けた。約1時間後、系内
が白濁し始め重合開始を確認した(重合率0.8%)。
重合開始から18時間後に反応を停止してスラリーを得
た。
じ片末端メタクリロイル変性ポリシロキサン4.8g、
メタクリル酸メチル120g(1.2mol)、スチレン
40g(0.38mol)、ジビニルベンゼン8.0g
(対モノマー5重量%)、ラウロイルパーオキシド3.
2g(0.008mol)を室温下で仕込み、窒素置換し
ながら攪拌を1時間程度行った。オイルバスを2時間で
25℃から溶剤が還流する様に温度設定し、4ツ口フラ
スコを25℃のオイルバスに漬けた。約1時間後、系内
が白濁し始め重合開始を確認した(重合率0.7%)。
重合開始から1時間後に系内に凝集物が生成したため、
反応を中止した。
リーについて、下記の方法で粒子評価を行った。結果を
表1に示す。
ンで希釈洗浄し、得られた粒子を日立(株)製FE−S
EM(S−4000形)で観察した。
剤を留去し、スラリー固形分を精秤した(Ag)。アセ
トンをスラリー固形分に対し50倍量加え、超音波処理
を30分間行った。その後、遠心分離し、全上澄み液を
取り出した。上澄み液中のアセトンを蒸発させ、析出し
た固形分を精秤(Bg)し、下記式により溶剤可溶分を
求めた。 溶剤可溶分(%)=B×100/A
粒子は、表面が滑らかな球形であり、ポリマー粒子の溶
剤可溶分も少なかった。
散液はそのまま、あるいは溶剤置換により他の溶剤への
分散液にして用いることができる。さらに遠心分離、濾
過等の固液分離や乾燥等の公知の方法により、粉体とす
ることができる。このポリマー粒子は、表面が滑らかな
球状であり、化粧料に用いた時に手触りがよく好適であ
る。また、ポリマー粒子の油剤や溶剤可溶分が少ないこ
とから、化粧料等の溶剤や油分に対して安定であり、配
合製品状態での保存安定性が良い。
Claims (5)
- 【請求項1】 溶剤中、分散剤及び重合開始剤存在下に
てビニルモノマー(以下モノマーという)を重合してポ
リマー粒子を得るに際し、モノマーの重合率が1〜10
0%の重合反応中に、モノマー100重量部に対して架
橋性ビニルモノマー(以下架橋剤という)0.099〜
47重量部(以下、重合架橋剤量という)を添加するポ
リマー粒子の製造法。 - 【請求項2】 モノマーの重合率が、1〜X%(1<X
≦97)の間に、重合架橋剤量の1〜10重量%を添加
し、モノマーの重合率が、X〜Y%(30≦Y≦98)
の間に、重合架橋剤量の10〜45重量%を添加し、モ
ノマーの重合率が、Y〜Z%(50≦Z≦100)の間
に、重合架橋剤量の45〜89重量%を添加する請求項
1記載の製造法(但し、X<Y<Zである)。 - 【請求項3】 モノマーの重合率が0%の時に、モノマ
ー100重量部に対して架橋剤0.001〜3重量部が
存在する請求項1又は2記載の製造法。 - 【請求項4】 分散剤が、片末端にラジカル重合性基を
有するポリシロキサン化合物である請求項1〜3のいず
れかの項記載の製造法。 - 【請求項5】 溶剤が炭化水素もしくはシリコーン又は
それらの混合物である請求項1〜4のいずれかの項記載
の製造法。
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