JP2006519281A - シリコーンエマルジョンを作製する方法 - Google Patents

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Abstract

シラノール官能性ポリシロキサン(I)を水に乳化させ、得られたエマルジョンの水相に式X-A-Si(R)n(OR')3-n(II)(式中、Xは有機官能基を表し、Aは2価の有機結合を表し、Rはそれぞれヒドロカルビルまたは置換されたヒドロカルビル基を表し、R'はそれぞれ水素またはアルキルもしくはアシル基を表し、n=０、１、または２である)の有機官能性シランを添加し、(II)の-OR'基をポリシロキサン(I)のシラノール基と反応させて有機官能性ポリシロキサンを形成させることによって有機官能性ポリシロキサンのエマルジョンを調製する。

Description

本発明は、例えば、シャンプー、コンディショナー、スキンクリームなどのトイレタリー製品および化粧品、親水性/疎水性改質剤や柔軟剤などの繊維処理剤、ならびに自動車手入れ用および家庭用清掃用品に有用な、水中シリコーン油型エマルジョンの製造に関する。特に本発明は、有機官能性ポリシロキサン、すなわち、アミン基、アミド基、エポキシド基、アルコール基、チオール基等の有機官能基を含むポリシロキサンのエマルジョンの製造に関する。
米国特許第6239211号には、低分子量または環状のシリコーンを乳化させ、次いでこれを高温でアミノシランと反応させることによってアミノ官能性ポリシロキサンのエマルジョンを製造することが記載されている。米国特許第6090885号には、カチオン性界面活性剤の存在下で線状ポリオルガノシロキサンにアミン官能性を組み込むことが記載されている。米国特許第4600436号には、水、乳化剤、ジオルガノポリシロキサン流体、アミノ官能性シラン、および場合により重合触媒から乳化重合を行うことによって調製されたアミノ官能性シリコーンエマルジョンが記載されており、この乳化重合されたポリシロキサンのエマルジョンから、これを調製するもととなった環状または他の低分子量シロキサンをストリッピングし得ることが教示されている。
米国特許第6090885号には、末端水酸基ポリジメチルシロキサンを環状ポリオルガノシロキサンと一緒に水に乳化し、そしてこれを重合させることによって末端水酸基ポリジメチルシロキサンエマルジョンを形成した後に、アミノ官能性シランを反応させる方法が記載されている。米国特許第6552122号にも、環状ポリオルガノシロキサンの乳化重合によって予め形成されたポリジメチルシロキサンエマルジョンをアミノ官能性シランと反応させる方法が記載されている。
米国特許第6239211A号 米国特許第6090885A号 米国特許第4600436A号 米国特許第6552122A号
パーソナルケア産業に使用されるエマルジョンは、生殖に有害なものとして分類されている環状シロキサンであるオクタメチルシクロテトラシロキサン(D4)の含有量が低減されていることが好ましい。本発明の目的は、上述したような乳化重合によって調製されたアミノ官能性ポリシロキサンエマルジョンよりもD4含有量の少ない有機官能性ポリシロキサン、特にアミノ官能性ポリシロキサンのエマルジョンを、ストリッピングを必要とすることなく調製することにある。
本発明による、有機官能性ポリシロキサンのエマルジョンを調製するための方法は、シラノール官能性ポリシロキサン(I)を、塩基性および酸性のシラノール重縮合用触媒の非存在下で水に機械的に乳化させることと、得られたエマルジョンの水相に、式X-A-Si(R)n(OR')3-n(II)(式中、Xは有機官能基を表し、Aは2価の有機結合を表し、Rはそれぞれヒドロカルビルまたは置換されたヒドロカルビル基を表し、R'はそれぞれ水素またはアルキルもしくはアシル基を表し、n=0、1、または2である)の有機官能性シランを添加することと、(II)の-OR'基とポリシロキサン(I)のシラノール基を反応させることによって有機官能性ポリシロキサンを形成させることとを含む。
このシラノール官能性ポリシロキサン(I)は、好ましくはポリジメチルシロキサン等の実質的に線状のポリジオルガノシロキサン流体であるが、分岐のポリシロキサンも使用してもよい。シラノール基は、好ましくはポリシロキサン鎖の末端基である。このポリシロキサン流体の粘度は、例えば少なくとも0.02Pa.sから1000Pa.sまで(20から1000000cpsまで)であってもよく、好ましくは0.5〜40Pa.s.である。最も好ましくは、シラノール官能性ポリシロキサン(I)の分子量は、所望の有機官能性ポリシロキサンの所望の最終分子量に近い。(I)の乳化および有機官能性シラン(II)との反応は、いずれも、ポリシロキサン(I)の速い重縮合を促進しない条件下で実施することが好ましい。
このシラノール官能性ポリシロキサン(I)を、酸性および塩基性のシラノール重縮合用触媒の非存在下で水に機械的に乳化させる。シラノール官能性ポリシロキサン(I)の乳化は連続的に行うことが好ましいが、別法として、回分的に乳化してもよい。好ましい一手順においては、シラノール官能性ポリシロキサン(I)、少なくとも1種の界面活性剤、および水を、粘性のある水中油型エマルジョンが形成されるような比率で高剪断ミキサーに連続的に供給し、これをミキサーから連続的に回収し、希釈した後に有機官能性シラン(II)を添加する。
界面活性剤の量は、シラノール官能性ポリシロキサン(I)の重量を基準として、通常は少なくとも0.2%、好ましくは少なくとも0.5%、例えば2%から10または20%までである。存在する水の量(界面活性剤組成物中に存在する水分もすべて含む)は、ポリシロキサン流体を基準として、通常は少なくとも0.5%、好ましくは少なくとも1%から10または20%までであるが、30%の場合もある。高剪断ミキサーに供給される混合物のポリシロキサン含有量は、好ましくは70〜99重量%、最も好ましくは80〜98%である。ポリシロキサン、界面活性剤、および水をこのような比率とすることによって形成される非ニュートン性「濃厚相(thick phase)」エマルジョンは、低剪断速度下で非常に高い粘性を示すものであるが、このポリシロキサン含有量の高い混合物は、これよりも希薄な混合物に比べてより容易に小さい粒度で乳化される。
このような「濃厚相」を経る機械的乳化は、連続法として最も効果的に実施される。特に好ましい手順が国際公開第02/42360号パンフレットに記載されている。高剪断ミキサーは、例えば商標「TKプロダクツホモミックラインミル(TK Products Homomic Line Mill)」もしくは「ビーマテック(Bematek)」もしくは「グリールコ(Greerco)」もしくは「ロス(Ross)」として販売されているものなどのインライン型の動的ローター/ステーター装置(しばしばコロイドミルと称される)であっても、特開2000-449号公報に記載されている種類の回転円盤ミキサーであっても、プラスチック押出成形に用いられる種類の二軸スクリュー混合機であってもよい。
シラノール官能性ポリシロキサン(I)の乳化に用いられる界面活性剤は、好ましくは、1種または複数種の非イオン性界面活性剤である。非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコール長鎖(9〜22C、特に12〜14C)アルキルエーテルなどのポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンソルビタンエーテル、ポリオキシアルキレンアルコキシレートエステル、ポリオキシアルキレンアルキルフェノールエーテル、エチレンオキシドプロピレンオキシドコポリマー、ポリビニルアルコール、グリセリドエステル、およびアルキル多糖が挙げられる。一般に、非イオン性界面活性剤がポリシロキサンの重縮合を触媒する可能性は低い。
別法として、カチオン性、両性、および/またはアニオン性界面活性剤などのイオン性界面活性剤を使用してもよい。カチオン性界面活性剤としては、例えば、8〜22Cアルキルトリメチルアンモニウムハライド、8〜22Cアルキルジメチルベンジルアンモニウムハライド、ジ(8〜22Cアルキル)ジメチルアンモニウムハライドなどの第四級アンモニウム塩が挙げられる。好適な両性界面活性剤としては、例えば、ヤシ油脂肪酸アミドプロピルベタイン、ヤシ油脂肪酸アミドプロピルヒドロキシサルフェート、ヤシ油アルキルベタイン、ヤシ油脂肪酸アミド酢酸ナトリウム、ヤシ油アルキルジメチルベタイン、N-ヤシ油アルキル-3-アミノ酪酸、およびイミダゾリニウムカルボキシル化合物が挙げられる。アニオン性界面活性剤としては、例えば、ラウリル硫酸塩などのアルキル硫酸塩、アクリル酸エステル/アクリル酸C10-30アルキルエステルクロスポリマーなどのポリマー、(6〜20Cアルキル)ベンゼンスルホン酸および塩、モノアルキルポリオキシエチレンエーテルの硫酸エステル、スルホン化された脂肪酸グリセリルエステル、ならびにスルホン化された1価アルコールエステルの塩が挙げられる。スルホン酸などのアニオン性界面活性剤のなかには、シラノール官能性ポリジオルガノシロキサンを縮合重合させる触媒活性を有するものがある。この触媒活性は、例えばトリエタノールアミンといった有機アミンや水酸化ナトリウム等の無機塩基などの中和剤によって抑制することができる。(I)を制御下に重合させることを含む工程においては、シラノール官能性ポリシロキサン(I)の乳化に必要とされる場合を除いて、アニオン性界面活性剤の使用を避けることが一般に好ましい。
シラノール官能性ポリシロキサン(I)を「濃厚相」として乳化した場合は、有機官能性シラン(II)を添加する前にこれを希釈しておくことが好ましい。好ましくは、有機官能性シラン(II)と反応させる時点におけるエマルジョン中のポリシロキサン(I)の濃度を20〜75重量%とする。この「濃厚相」の希釈は、水のみを用いて行うか、または水と界面活性剤との混合物を用いて行ってもよい。希釈時に用いる界面活性剤は、上述した種類のうちのいずれかであってもよい。この界面活性剤は、有機官能性シラン(II)との混和性が最も良くなるように選択されるであろう。例えば(II)の有機官能基がアミノ基である場合は、希釈ステップにカチオン性界面活性剤を使用してもよい。別法として、非イオン性界面活性剤が希釈用として一般に適している。
式X-A-Si(R)n(OR')3n(II)の有機官能性シランは、最も好ましくはアミノシランである。本発明は、例えばシャンプーやスキンクリームなどのトイレタリー製品および化粧品に有用なアミノ官能性ポリシロキサンエマルジョンの製造に特に好適である。したがって有機官能基Xは、好ましくは第一級、第二級、または第三級アミン基であり、例えば-NH2もしくは-NHC2H5であるか、または-NHC2H4NH2などの第一級および第二級アミノの両方を含む基であってもよい。
別法として、有機官能基Xは、アミド、エポキシド、アルコール、またはチオール基であってもよい。
(II)のOR'基は、好ましくはアルコキシ基であり、R'は、好ましくはアルキル基、より好ましくは1〜4Cアルキルである。R基(存在する場合)も、好ましくは1〜4Cアルキルである。最も好ましくは、シラン(II)のR'基はそれぞれメチル基である。本発明者らは、メトキシシランがエトキシシランまたはより高級なアルコキシシランに比べて反応性が高く、したがってメトキシ基を含むアミノシランがポリシロキサン中により容易に組み込まれることを見出した。特に好ましい有機官能性シラン(II)としては、例えば、3-アミノプロピルトリメトキシシランおよび3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシランが挙げられる。
(I)のシラノール基対オルガノシラン(II)のSiに結合したアルコキシまたは他の基OR'のモル比は、好ましくは(0.4〜1.5:1)の範囲である。多くの場合、(I)のシラノール基対アミノシラン(II)のSiに結合したアルコキシ基のモル比は1:1未満であることが好ましく、こうすることによって、アミノ-または他の有機官能性アルコキシシラン(II)によるシラノール官能性ポリシロキサン(I)の封鎖が主反応として起こるようになる。出発物質であるシラノール官能性ポリシロキサン(I)よりも重合度の高い有機官能性ポリシロキサンを生成させるために(I)の鎖延長重合も起こすことが望ましい場合は、(I)のシラノール基対アミノシラン(II)のSiに結合したアルコキシ基のモル比を1:1超とすることが好ましいであろう。
有機官能性シラン(II)がアミノまたはアミド官能性シランである場合、ポリシロキサン(I)との反応は、有機官能性シラン(II)を添加する以前にエマルジョンに添加されるカチオン性界面活性剤の存在下に実施することが好ましい。ポリシロキサン(I)を「濃厚相」として乳化し、これを有機官能性シラン(II)と反応させる前に希釈する場合は、上述したように、希釈ステップにおける水中にカチオン性界面活性剤を存在させてもよい。別法として、カチオン性界面活性剤をアミノシラン(II)と一緒に添加しても、エマルジョンの希釈後に(II)を添加する前に添加してもよい。カチオン性界面活性剤の添加量は、シロキサン試薬の総重量を基準として、例えば1〜10%であってもよい。
好ましくは、(II)の-OR'基とポリシロキサン(I)のシラノール基との反応を触媒するために塩基をエマルジョンに添加する。この塩基は、有機官能性シラン(II)よりも先か、同時か、または後にエマルジョンに添加してもよい。この塩基は、好ましくは、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの無機塩基であるか、あるいはトリエタノールアミンなどのアミンであってもよい。塩基の量は、好ましくはpH9〜13、最も好ましくは11〜12を達成するのに必要な量である。
有機官能性シラン(II)とシラノール官能性ポリシロキサン(I)との反応は、好ましくは40℃未満の温度、最も好ましくは30℃未満、例えば常温である10〜25℃で行う。本発明者らは、(I)と(II)との反応を低温で行うことが、D4量の少ないエマルジョンの製造に特に有効であることを見出した。反応時間は、例えば0.5〜24時間としてもよい。
本発明の方法により製造された有機官能性ポリシロキサンのエマルジョンは、通常、エマルジョン中のポリシロキサンの総重量を基準として、環式ポリシロキサンを2重量%未満、特にD4を2%未満含む。(I)と(II)との反応において温度を30℃未満に維持することによって、D4の含有量が1%未満であるアミノシロキサンのエマルジョンを生成させることができる。
本発明のエマルジョンは、D4含有量の少ないエマルジョンが特に求められる、例えばシャンプーやスキンクリームなどのトイレタリー製品および化粧品といったパーソナルケア用途に特に有利であるが、例えば柔軟仕上剤といった繊維製品処理用途や、自動車の手入れ用としても有利である。
以下の実施例により本発明を説明する。部および百分率はすべて重量によるものとする。
4000mPa.s.の粘度を有する実質的に線状のヒドロキシ末端封鎖ポリジメチルシロキサン60部を、国際公開第02/42360号パンフレットの図1に説明されている高剪断ミキサーを用いた連続処理によって、リネックス(Renex)30(商標)非イオン性界面活性剤2.5部および水1.33部と一緒に乳化させた。結果として得られた濃厚相エマルジョンを、撹拌反応器内においてシリコーンが50%になるまで水で回分式に希釈した後、アーカード(Arquad)16-29(商標)30%活性カチオン性界面活性剤5.87部を添加した。50%水酸化ナトリウム水溶液0.5部および3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシラン7部を添加した。このエマルジョンを室温(23℃)で6時間反応させた。粒度200nmのアミノシロキサンエマルジョンを得た。最終エマルジョンに含まれるD4はシリコーン相の0.7%を構成していた。
毛髪適用試験を実施したところ、D4含有量が6.6%である市販のアミノシロキサンエマルジョンと同等の性能が示された。
4000mPa.sの粘度を有する実質的に線状のヒドロキシ末端封鎖ポリジメチルシロキサン35部を、回分処理(かき取り翼および2枚の分散用高速円盤を備えたクラウセン(Klaussen)(商標)10リッターチェンジカンミキサーからなる)によって、リネックス30(商標)非イオン性界面活性剤2.9部、セルバミン(Servamine)KAC458(商標)カチオン性界面活性剤1.7部、および水1.33部と一緒に乳化させた。この混合物を水55.8部で希釈した。アーカード16-29(商標)30%活性カチオン性界面活性剤1.8部、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシラン0.5部、および40%NaOH溶液0.5部をかき混ぜながら添加した。このエマルジョンを室温(23℃)で8時間反応させた後、氷酢酸0.5部で中和した。平均粒度が170nmであるアミノシロキサンエマルジョンを得た。アミノ電位差滴定(aminopotentiometric titration)によるアミン含有量は0.124meq/gであり、最終pHは7.6、抽出されたポリマー相の粘度は6500cp、シリコーン相のD4含有量は0.76重量%であった。

Claims (10)

  1. シラノール官能性ポリシロキサン(I)を、塩基性および酸性のシラノール重縮合用触媒の非存在下で水に機械的に乳化させ、
    得られたエマルジョンの水相に、式X-A-Si(R)n(OR')3-n(II)(式中、Xは有機官能基を表し、Aは2価の有機結合を表し、Rはそれぞれヒドロカルビルまたは置換されたヒドロカルビル基を表し、R'はそれぞれ水素またはアルキルもしくはアシル基を表し、n=0、1、または2である)の有機官能性シランを添加し、
    (II)の-OR'基を前記ポリシロキサン(I)のシラノール基と反応させることによって有機官能性ポリシロキサンを形成させる
    ことを含む有機官能性ポリシロキサンのエマルジョンの調製方法。
  2. 前記シラノール官能性ポリシロキサン(I)を、非イオン性界面活性剤の存在下で乳化させる請求項1に記載の方法。
  3. 前記シラノール官能性ポリシロキサン(I)、少なくとも1種の界面活性剤、および水を、粘性のある水中油型エマルジョンを形成するような比率で高剪断ミキサーに連続的に供給し、前記エマルジョンを前記ミキサーから連続的に回収し、希釈した後に、前記有機官能性シラン(II)を添加する請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. シラン(II)の前記有機官能性基Xがアミノ基である請求項1から3のいずれかに記載の方法。
  5. シラン(II)の前記R'基がそれぞれメチル基である請求項1から4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記有機官能性シランが3-アミノプロピルトリメトキシシランである請求項5に記載の方法。
  7. 前記有機官能性シラン(II)を添加する以前に、カチオン性界面活性剤を前記エマルジョンに添加する請求項1から6のいずれかに記載の方法。
  8. (II)の前記-OR'基と前記ポリシロキサン(I)の前記シラノール基との反応を触媒するために、前記エマルジョンに塩基を添加する請求項1から7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記有機官能性シラン(II)と前記シラノール官能性ポリシロキサン(I)とを40℃未満の温度で反応させる請求項1から8のいずれかに記載の方法。
  10. エマルジョン中のポリシロキサンの総重量を基準として2重量%未満の環状ポリシロキサンを含むことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の方法によって調製された有機官能性ポリシロキサンのエマルジョン。

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