JP2009270018A - Method for producing polymer particle and polymerization apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は乳化重合によりポリマー粒子を生成するポリマー粒子製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer particle production method for producing polymer particles by emulsion polymerization.
従来より、乳化重合法を使用して各種のポリマー粒子を製造する製造方法が提案されており、例えば、特開2001−294603号公報には、モノマー、触媒及び乳化剤の連続投入開始時点から一定時間経過後にその時点の反応熱を計測し、その反応熱から製品ポリマーの粒径を予測するとともに、製品ポリマーの予測粒径が所定の範囲にない場合には、ポリマー、触媒及び乳化剤の投入量を調整して製品ポリマーの最終粒径を目標値に近づける半回転式乳化重合プロセスにおけるポリマー粒子の製造方法が記載されている。
しかしながら、前記特許文献1に記載されたポリマー粒子の製造方法では、生成されるポリマー粒子の粒径を大きくする場合には、重合速度を遅くするため乳化剤濃度を低くするものであるが、逆にポリマー粒子の粒径を小さくする場合には、重合速度を早くするために乳化剤濃度を高くする必要がある。
このように、ポリマー粒子の粒径を小さくすべく乳化剤濃度を高くした場合には、乳化剤に起因して後々の不純物が含有されることとなり、この結果、製品ポリマーの特性に悪影響を及ぼす虞がある。
However, in the method for producing polymer particles described in
As described above, when the emulsifier concentration is increased to reduce the particle size of the polymer particles, impurities afterwards are contained due to the emulsifier, and as a result, the properties of the product polymer may be adversely affected. is there.
本発明者等は、前記従来技術の問題点につき鋭意検討した結果、水、乳化剤、重合開始剤及びモノマーを混合した反応液を乳化分散させてモノマーの乳化重合を行う際に、モノマーの重合率が40%に至る前においては、重合速度を決定する重合条件(重合温度、重合開始剤濃度)と生成されるポリマー粒子の粒径との間に相関関係が存在するものの、モノマーの重合率が40%を超えた後にはポリマー粒子の粒径は重合条件とは関係なく略一定に維持されることを発見し、本発明をなすに至ったものである。
即ち、本発明は前記従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、モノマーの重合率が40%に至る前に重合速度を制御してポリマー粒子の粒径を所望粒径に調整し、モノマーの重合率が40%を超えた後にポリマー粒子の粒径を所定粒径に維持しつつ、乳化剤濃度を高くすることなく重合速度を自在に変更してモノマーの重合完了時間を制御することが可能なポリマー粒子製造方法を提供することを目的とする。
As a result of intensive studies on the problems of the prior art, the present inventors have carried out the emulsion polymerization of a monomer by emulsion-dispersing a reaction solution in which water, an emulsifier, a polymerization initiator and a monomer are mixed, and the polymerization rate of the monomer. Before reaching 40%, although there is a correlation between the polymerization conditions (polymerization temperature, polymerization initiator concentration) that determine the polymerization rate and the particle size of the polymer particles produced, the polymerization rate of the monomer is After exceeding 40%, it was discovered that the particle size of the polymer particles was maintained substantially constant irrespective of the polymerization conditions, and the present invention was achieved.
That is, the present invention was made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and adjust the particle size of the polymer particles to a desired particle size by controlling the polymerization rate before the polymerization rate of the monomer reaches 40%. Then, the polymerization completion time of the monomer is controlled by freely changing the polymerization rate without increasing the emulsifier concentration while maintaining the particle size of the polymer particle at a predetermined particle size after the polymerization rate of the monomer exceeds 40%. It is an object of the present invention to provide a method for producing polymer particles.
前記目的を達成するため請求項1に係るポリマー粒子製造方法は、水、乳化剤、重合開始剤及びモノマーを混合した反応液を乳化分散させるとともにモノマーの乳化重合を行ってポリマー粒子を製造するポリマー粒子製造方法において、前記モノマーの重合率が40%に至る前に、モノマーの重合速度を制御することにより前記ポリマー粒子のポリマー粒径を所定粒径にし、前記モノマーの重合率が40%を超えた後に、前記ポリマー粒径を所定粒径に維持しつつ、モノマーの重合完了時間を制御することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for producing polymer particles according to
請求項2に係るポリマー粒子製造方法は、請求項1のポリマー粒子製造方法において、前記乳化重合の進行に伴って反応物の粘度を連続的に測定し、前記粘度の上昇が略停止して安定した時点で、前記モノマー重合率が40%を超えたものと判断することを特徴とする。
The polymer particle production method according to
請求項3に係る重合装置は、水、乳化剤、重合開始剤及びモノマーを混合した反応液を乳化分散させるとともにモノマーの乳化重合を行ってポリマー粒子を製造する重合装置において、第1重合速度及び第2重合速度を設定する重合速度設定手段と、前記反応液におけるモノマーの重合率を検出する重合率検出手段と、前記重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%に至る前には前記重合速度設定手段に設定された第1重合速度でモノマーの重合を行って前記ポリマー粒子のポリマー粒径を所定粒径にし、重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%を超えた後に第1重合速度から第2重合速度に切り換えてモノマーの重合を行ってポリマー粒径を所定粒径に維持しつつモノマーの重合完了時間を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
A polymerization apparatus according to
請求項4に係る重合装置は、請求項3の重合装置において、前記重合率検出手段は、前記反応液中に浸漬されるとともに反応液の粘度を測定する粘度測定手段を含み、前記制御手段は、前記モノマーの重合が進行するに従って前記粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度が上昇している間はモノマーの重合率が40%以下にあるものと判断し、粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度の上昇が略停止して安定した時点でモノマーの重合率が40%を超えたものと判断することを特徴とする。 The polymerization apparatus according to a fourth aspect is the polymerization apparatus according to the third aspect, wherein the polymerization rate detection means includes a viscosity measurement means that measures the viscosity of the reaction liquid while being immersed in the reaction liquid, and the control means includes The polymerization rate of the monomer is determined to be 40% or less while the viscosity of the reaction liquid measured through the viscosity measuring means is increasing as the polymerization of the monomer proceeds, and the viscosity measuring means is used. When the increase in the viscosity of the reaction solution measured in this step is substantially stopped and stabilized, it is judged that the monomer polymerization rate exceeds 40%.
請求項1に係るポリマー粒子製造方法では、モノマーの重合率が40%に至る前において、重合速度を制御することよりポリマー粒子のポリマー粒径が所定粒径にされ、モノマーの重合率が40%を超えた後においては、ポリマー粒径は重合速度とは関係なく一定に維持されるので、モノマーの重合率が40%に至る前に重合速度を制御してポリマー粒子の粒径を所望粒径に調整しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後にポリマー粒子の粒径を所定粒径に維持しつつ、乳化剤濃度を高くすることなく重合速度を自在に変更してモノマーの重合完了時間を制御することが可能となる。
In the polymer particle manufacturing method according to
また、請求項2に係るポリマー粒子製造方法では、乳化重合の進行に伴って反応物の粘度を連続的に測定し、粘度の上昇が略停止して安定した時点で、モノマー重合率が40%を超えたものと判断するので、モノマーの重合率が40%になる時点を反応液の粘度変化に基づき判断することが可能となる。
In the method for producing polymer particles according to
請求項3に係る重合装置では、重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%に至る前には重合条件設定手段に設定された第1重合速度でモノマーの重合を行ってポリマー粒子のポリマー粒径が所定粒径にされ、重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%を超えた後においては、ポリマー粒径は重合速度とは関係なく一定に維持されるので、モノマーの重合率が40%に至る前に第1重合速度に制御してポリマー粒子の粒径を所望粒径に調整しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後にポリマー粒子の粒径を所定粒径に維持しつつ、乳化剤濃度を高くすることなく重合速度を第2重合速度に変更してモノマーの重合完了時間を制御することが可能となる。
In the polymerization apparatus according to
請求項4に係る重合装置では、制御手段を介して、モノマーの重合が進行するに従って粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度が上昇している間はモノマーの重合率が40%以下にあるものと判断され、粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度の上昇が略停止して安定した時点でモノマーの重合率が40%を超えたものと判断されるので、モノマーの重合率が40%になる時点を反応液の粘度変化に基づき判断することが可能となる。
In the polymerization apparatus according to
以下、本発明に係るポリマー粒子製造方法について、本発明を具体化した実施形態に基づき説明する。
本実施形態にて使用される乳化重合系は、水、乳化剤、重合開始剤及びモノマーを混合してなる反応液から構成される。
ここに、乳化剤としては、ラウリル硫酸ナトリウムやラウリル硫酸アンモニウムが使用される。また、重合開始剤としては、過硫酸アンモニウム、カリウム、過酸化水素等の水溶性過酸化物、アミンの塩酸塩を水溶性セグメントとして有する水溶性アゾ化合物が使用される。
Hereinafter, the polymer particle manufacturing method according to the present invention will be described based on embodiments embodying the present invention.
The emulsion polymerization system used in the present embodiment is composed of a reaction liquid obtained by mixing water, an emulsifier, a polymerization initiator, and a monomer.
Here, sodium lauryl sulfate or ammonium lauryl sulfate is used as the emulsifier. As the polymerization initiator, a water-soluble peroxide such as ammonium persulfate, potassium or hydrogen peroxide, or a water-soluble azo compound having an amine hydrochloride as a water-soluble segment is used.
モノマーとしては、2−ヘキシルアクリレート及び/又はブチルアクリレートを50〜100重量部とアクリル酸を0〜50重量部とを加えて使用される。 As the monomer, 50 to 100 parts by weight of 2-hexyl acrylate and / or butyl acrylate and 0 to 50 parts by weight of acrylic acid are used.
前記した乳化重合系を構成する各化合物は、乳化分散混合機で乳化分散され、その得られた混合物の全量が反応容器に仕込まれる。そして、撹拌しながら窒素雰囲気下で重合開始剤によりモノマーの重合反応が行われる。 Each compound constituting the above-described emulsion polymerization system is emulsified and dispersed by an emulsification dispersion mixer, and the entire amount of the obtained mixture is charged into a reaction vessel. Then, the polymerization reaction of the monomer is performed with the polymerization initiator in a nitrogen atmosphere while stirring.
ここに、前記乳化重合系において、モノマーの重合率が0%から40%に至る範囲で、モノマーの重合速度を変化させた時に、モノマーの重合速度と重合されるポリマー粒子のポリマー粒径との関係について調べてみた。その結果が図1に示されている。図1はモノマーの重合率が0%〜40%の範囲におけるモノマーの重合速度(%/min)とポリマー粒径(メジアン径(μm))との関係を示すグラフである。 Here, in the emulsion polymerization system, when the polymerization rate of the monomer is changed in the range from 0% to 40%, the polymerization rate of the monomer and the polymer particle size of the polymer particles to be polymerized I examined the relationship. The result is shown in FIG. FIG. 1 is a graph showing the relationship between monomer polymerization rate (% / min) and polymer particle size (median diameter (μm)) when the monomer polymerization rate is in the range of 0% to 40%.
図1において、横軸は重合速度(%/min)、縦軸はポリマー粒子のメジアン径(μm)を示し、図1にて各プロットを外挿して得られるグラフG1から理解されるように、モノマーの重合率が0%〜40%の範囲においては、モノマーの重合速度が小さい程ポリマー粒径は大きくなり、一方、モノマーの重合速度が大きい程ポリマー粒径は小さくなる。このように、モノマーの重合率が0%〜40%の範囲では、モノマーの重合速度とポリマー粒径との間に明確な相関関係が存在する。 In FIG. 1, the horizontal axis indicates the polymerization rate (% / min), the vertical axis indicates the median diameter (μm) of the polymer particles, and as can be understood from the graph G1 obtained by extrapolating each plot in FIG. When the polymerization rate of the monomer is in the range of 0% to 40%, the smaller the monomer polymerization rate, the larger the polymer particle size. On the other hand, the higher the monomer polymerization rate, the smaller the polymer particle size. Thus, when the monomer polymerization rate is in the range of 0% to 40%, there is a clear correlation between the polymerization rate of the monomer and the polymer particle size.
また、モノマーの重合率(%)とポリマー粒径との関係について調べてみると、図2に示す結果が得られた。図2はモノマーの重合率が0%〜100%の範囲におけるモノマーの重合率(%)とポリマー粒径(メジアン径(μm))との関係を示すグラフである。 Further, when the relationship between the polymerization rate (%) of the monomer and the particle size of the polymer was examined, the result shown in FIG. 2 was obtained. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the monomer polymerization rate (%) and the polymer particle size (median diameter (μm)) when the monomer polymerization rate is in the range of 0% to 100%.
図2において、横軸は重合率(%)、縦軸はポリマー粒子のメジアン径(μm)を示し、図2にて各プロットを外挿して得られるグラフG2に示されるように、ポリマー粒径は、モノマーの重合率が0%〜40%の範囲内では、重合率が増加するにつれて漸減していき、重合率が40%を超えた後においては、略一定の値となる。 In FIG. 2, the horizontal axis represents the polymerization rate (%), the vertical axis represents the median diameter (μm) of the polymer particles, and the polymer particle size is shown in graph G2 obtained by extrapolating each plot in FIG. When the polymerization rate of the monomer is in the range of 0% to 40%, it gradually decreases as the polymerization rate increases, and becomes a substantially constant value after the polymerization rate exceeds 40%.
更に、モノマーの重合率が40%を超えた後に、モノマーの重合速度を変化させ、その重合速度の変化がポリマー粒径に影響を与えるかどうかにつき調べた。その結果が図3、図4に示されている。図3はモノマーの重合率が40%を超えた後に、3つの重合速度で重合を行った時の重合率の変化状態を示すグラフ、図4は3つの重合速度に対応するポリマー粒径の変化を示すグラフである。 Furthermore, after the polymerization rate of the monomer exceeded 40%, the polymerization rate of the monomer was changed, and it was investigated whether the change in the polymerization rate would affect the polymer particle size. The results are shown in FIGS. FIG. 3 is a graph showing a change state of the polymerization rate when polymerization is performed at three polymerization rates after the polymerization rate of the monomer exceeds 40%, and FIG. 4 is a change in the polymer particle size corresponding to the three polymerization rates. It is a graph which shows.
図3において、横軸は時間(min)、縦軸は重合率(%)を示す。グラフG3は重合開始剤を0.07重量部投入して重合温度を50℃に保持した場合の重合率変化曲線であり、グラフG4は重合開始剤を0.07重量部投入して重合温度を45minの時点で50℃から48℃に低下させて重合速度を小さくした場合の重合率変化曲線であり、グラフG5は重合開始剤を0.07重量部投入して重合温度を45minの時点で50℃から40℃に低下させて重合速度を更に小さくした場合の重合率変化曲線である。
時間に対する重合率の上昇率は、最も重合温度が高く重合速度が大きいグラフG3で最も大きく、次いで、重合温度に基づく重合速度の大きい順に、グラフG4、グラフG5の順となっている。
In FIG. 3, the horizontal axis represents time (min), and the vertical axis represents the polymerization rate (%). Graph G3 is a polymerization rate change curve when 0.07 parts by weight of the polymerization initiator is added and the polymerization temperature is maintained at 50 ° C., and graph G4 is 0.07 parts by weight of the polymerization initiator and the polymerization temperature is It is a polymerization rate change curve when the polymerization rate is reduced by lowering from 50 ° C. to 48 ° C. at 45 min, and graph G5 shows a polymerization temperature of 50 at 45 min by adding 0.07 part by weight of a polymerization initiator. It is a polymerization rate change curve at the time of making it reduce from 40 degreeC to 40 degreeC, and making polymerization rate still smaller.
The rate of increase of the polymerization rate with respect to time is greatest in the graph G3 where the polymerization temperature is the highest and the polymerization rate is large, and then in the order of the graph G4 and the graph G5 in descending order of the polymerization rate based on the polymerization temperature.
図4において、横軸は頻度(%)、縦軸は粒径(μm)を示し、グラフG6はグラフG3に対応するポリマー粒径の変化、グラフG7はグラフG4に対応するポリマー粒径の変化、及び、グラフG8はグラフ5に対応するポリマー粒径の変化を示している。
各グラフG6、G7、G8は、いずれにおいてもポリマー粒径が略同様の分散状態を示し、その値も略一定値になることを示している。このことは、モノマーの重合率が40%を超えた後においては、重合速度を変化させた場合においても、ポリマー粒子のポリマー粒径は、略一定の値になることを意味している。従って、モノマーの重合率が40%に至る前までに、重合温度、重合開始剤濃度等に基づく重合速度を調整してポリマー粒径を制御しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後に重合速度を変化させてもポリマー粒径は略一定値に保持されることから、モノマーの重合率が40%を超えた後に自由に重合速度を調整することにより、トータルの重合時間をコントロールすることができる。
In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency (%), the vertical axis represents particle size (μm), graph G6 represents a change in polymer particle size corresponding to graph G3, and graph G7 represents a change in polymer particle size corresponding to graph G4. Graph G8 shows the change in the polymer particle size corresponding to
Each of the graphs G6, G7, and G8 shows a dispersion state in which the polymer particle size is substantially the same, and the value thereof is also a substantially constant value. This means that after the polymerization rate of the monomer exceeds 40%, the polymer particle size of the polymer particles becomes a substantially constant value even when the polymerization rate is changed. Therefore, by adjusting the polymerization rate based on the polymerization temperature, the concentration of the polymerization initiator, etc. before the polymerization rate of the monomer reaches 40%, the polymerization rate of the monomer exceeds 40%. Even if the polymerization rate is changed after that, the polymer particle size is maintained at a substantially constant value. Therefore, the total polymerization time can be controlled by adjusting the polymerization rate freely after the monomer polymerization rate exceeds 40%. can do.
また、モノマーの重合率が40%を超える時点を把握すべく、モノマーの重合率と反応液の粘度との関係を調べた。その結果が図5に示されている。図5はモノマーの重合率と反応液の粘度との関係を示すグラフである。
図5にて各プロットを外挿して得られるグラフG9に示すように、モノマーの重合率が20%までの間は反応液の粘度は徐々に大きくなり、重合率が20%を超えると粘度は急激に上昇していく。そして、重合率が40%を超えた後80%に至るまでの間において粘度は、略一定値を示し、また、重合率が80%を超えた後に急激に上昇していく。
このように、重合率が40%を超えた時点で粘度の上昇が収まり、一定値を示すことから、反応液の粘度を連続的にモニタし、略一定値になった時点で重合率が40%に達したことを把握することができる。
Further, in order to grasp the point in time when the polymerization rate of the monomer exceeded 40%, the relationship between the polymerization rate of the monomer and the viscosity of the reaction solution was examined. The result is shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the polymerization rate of the monomer and the viscosity of the reaction solution.
As shown in graph G9 obtained by extrapolating each plot in FIG. 5, the viscosity of the reaction solution gradually increases until the monomer polymerization rate is up to 20%, and when the polymerization rate exceeds 20%, the viscosity is It rises rapidly. The viscosity exhibits a substantially constant value after the polymerization rate exceeds 40% and reaches 80%, and increases rapidly after the polymerization rate exceeds 80%.
Thus, when the polymerization rate exceeds 40%, the increase in viscosity stops and shows a constant value. Therefore, the viscosity of the reaction solution is continuously monitored, and when the polymerization rate becomes substantially constant, the polymerization rate becomes 40%. % Can be grasped.
前記した事実を勘案すれば、乳化重合系において各種の重合制御を行うことができる。以下、例示として、2つの重合制御方法について図6乃至図9に基づき説明する。
先ず、モノマーの重合率が40%に至る前に、重合速度を制御してポリマー粒径を所望の値になるように重合を行い、重合率が40%を超えた後においては、重合速度を変化させてトータル重合時間をコントロールする場合について、図6、図7に基づき説明する。図6は2つの重合過程において時間に対する重合率の変化を示グラフ、図7は2つの重合過程におけるポリマー粒径の変化を示すグラフである。
Considering the facts described above, various polymerization controls can be performed in the emulsion polymerization system. Hereinafter, as an example, two polymerization control methods will be described with reference to FIGS.
First, before the polymerization rate of the monomer reaches 40%, the polymerization rate is controlled so that the polymer particle size becomes a desired value. After the polymerization rate exceeds 40%, the polymerization rate is increased. The case where the total polymerization time is controlled by changing will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a graph showing the change in the polymerization rate with respect to time in the two polymerization processes, and FIG. 7 is a graph showing the change in the polymer particle diameter in the two polymerization processes.
図6において、横軸は時間(min)、縦軸は重合率(%)を示し、グラフG10は、重合率40%に至る前に一定の重合速度でモノマーの重合反応を行い、重合率が40%を超えた後に重合温度を一定温度(例えば、50℃)を維持しつつ重合を行った場合の重合率の変化を示す。
また、グラフG11は、重合率40%に至る前にグラフG10の場合と同一の重合速度でモノマーの重合反応を行い、重合率が40%を超えた後に重合温度を一定温度(例えば、50℃)から低下させて重合速度を小さくした場合の重合率の変化を示す。
In FIG. 6, the horizontal axis represents time (min), the vertical axis represents the polymerization rate (%), and the graph G10 shows the polymerization rate of the monomer at a constant polymerization rate before reaching the polymerization rate of 40%. The change in the polymerization rate when the polymerization is carried out while maintaining the polymerization temperature at a constant temperature (for example, 50 ° C.) after exceeding 40% is shown.
Further, the graph G11 performs the polymerization reaction of the monomer at the same polymerization rate as in the graph G10 before reaching the polymerization rate of 40%, and after the polymerization rate exceeds 40%, the polymerization temperature is kept at a constant temperature (for example, 50 ° C. ), The change in the polymerization rate when the polymerization rate is reduced is shown.
ここに、グラフG10の場合には、重合開始から120min程度で重合反応は終了しているが、グラフG11の場合には、重合率が40%を超えた後に重合速度を低下させていることから、重合反応時間は190min程度を要している。 Here, in the case of graph G10, the polymerization reaction is completed in about 120 minutes from the start of polymerization, but in the case of graph G11, the polymerization rate is decreased after the polymerization rate exceeds 40%. The polymerization reaction time requires about 190 min.
また、図7において、横軸は粒径(μm)、縦軸は頻度(%)を示し、グラフG12はグラフG10に対応するポリマー粒径の変化、グラフG13はグラフG11に対応するポリマー粒径の変化を示している。
各グラフG12、G13は、いずれにおいてもポリマー粒径が略同様の分散状態を示し、その値も略一定値になることを示している。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the particle size (μm), the vertical axis represents the frequency (%), the graph G12 represents a change in the polymer particle size corresponding to the graph G10, and the graph G13 represents the polymer particle size corresponding to the graph G11. Shows changes.
Each of the graphs G12 and G13 shows a dispersion state in which the polymer particle diameter is substantially the same, and the value thereof is also a substantially constant value.
前記したように、モノマーの重合率が40%に至る前までに、重合温度、重合開始剤濃度等に基づく重合速度を調整してポリマー粒径を制御しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後に重合速度を変化させてもポリマー粒径は略一定値に保持されることから、モノマーの重合率が40%を超えた後に自由に重合速度を調整することにより、トータルの重合時間をコントロールすることができる。 As described above, if the polymer particle size is controlled by adjusting the polymerization rate based on the polymerization temperature, the polymerization initiator concentration, etc. before the monomer polymerization rate reaches 40%, the monomer polymerization rate is 40%. Even if the polymerization rate is changed after exceeding 50%, the polymer particle size is maintained at a substantially constant value. Therefore, by adjusting the polymerization rate freely after the monomer polymerization rate exceeds 40%, the total polymerization is achieved. You can control the time.
次に、モノマーの重合率が40%に至る前に、重合速度を変化させてポリマー粒径を変化させるとともに所望の値になるように重合を行い、重合率が40%を超えた後においては、重合速度を一定にしてトータル重合時間を同一にコントロールする場合について、図8、図9に基づき説明する。図8は2つの重合過程において時間に対する重合率の変化を示グラフ、図9は2つの重合過程におけるポリマー粒径の変化を示すグラフである。 Next, before the polymerization rate of the monomer reaches 40%, the polymerization rate is changed to change the polymer particle size and the polymerization is performed to a desired value, and after the polymerization rate exceeds 40%, The case where the total polymerization time is controlled to be the same while keeping the polymerization rate constant will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a graph showing the change in the polymerization rate with respect to time in the two polymerization processes, and FIG. 9 is a graph showing the change in the polymer particle diameter in the two polymerization processes.
図8において、横軸は時間(hour)、縦軸は重合率(%)を示し、グラフG14は、溶存酸素濃度を低くし、一定の重合速度でモノマーの重合反応を行い、重合率が40%を超えた後に重合温度を一定温度(例えば、50℃)を維持しつつ重合を行った場合の重合率の変化を示す。
また、グラフG15は、溶存酸素濃度を高くし重合率が40%に至る前で30%になった後に重合開始剤濃度を追加投入してグラフG14の場合よりも小さい重合速度でモノマーの重合反応を行い、重合率が40%を超えた後に重合温度を一定温度(例えば、50℃)を維持しつつ重合を行った場合の重合率の変化を示す。
In FIG. 8, the horizontal axis represents time (hour), the vertical axis represents the polymerization rate (%), and the graph G14 lowers the dissolved oxygen concentration to carry out the monomer polymerization reaction at a constant polymerization rate. It shows the change in the polymerization rate when the polymerization is carried out while maintaining the polymerization temperature at a constant temperature (for example, 50 ° C.) after exceeding%.
Graph G15 shows the polymerization reaction of the monomer at a lower polymerization rate than in the case of graph G14 by adding the polymerization initiator concentration after increasing the dissolved oxygen concentration and reaching 30% before the polymerization rate reaches 40%. The change in the polymerization rate when the polymerization is carried out while maintaining the polymerization temperature at a constant temperature (for example, 50 ° C.) after the polymerization rate exceeds 40% is shown.
ここに、グラフG14の場合には、重合率が40%に至る前に一定の重合速度に対応するポリマー粒径が得られるが、グラフG15の場合には、重合率が40%に至る前における重合速度は小さいことから、グラフG14の場合よりも大きなポリマー粒径が得られる。そして、重合率が40%付近になった時点で、両者は略同一となり、この後は同一の重合速度で重合が行われていき、トータル重合時間は同一となる。 Here, in the case of the graph G14, a polymer particle size corresponding to a certain polymerization rate is obtained before the polymerization rate reaches 40%, but in the case of the graph G15, the polymerization rate before the polymerization rate reaches 40%. Since the polymerization rate is small, a polymer particle size larger than that in the case of graph G14 is obtained. When the polymerization rate reaches around 40%, the two become substantially the same. Thereafter, the polymerization is carried out at the same polymerization rate, and the total polymerization time becomes the same.
また、図9において、横軸は粒径(μm)、縦軸は頻度(%)を示し、グラフG16はグラフG14に対応するポリマー粒径の変化、グラフG17はグラフG15に対応するポリマー粒径の変化を示している。
グラフG16では、前記したように重合速度が大きいことからポリマー粒径は小さくなり、一方、グラフG17では、重合速度は小さいことからポリマー粒径は大きくなる。
このように、ポリマー粒径を変化させつつトータル重合時間が同一となるように制御することができる。
In FIG. 9, the horizontal axis represents the particle size (μm), the vertical axis represents the frequency (%), the graph G16 represents the change in the polymer particle size corresponding to the graph G14, and the graph G17 represents the polymer particle size corresponding to the graph G15. Shows changes.
In the graph G16, the polymer particle size is small because the polymerization rate is large as described above. On the other hand, in the graph G17, the polymer particle size is large because the polymerization rate is small.
Thus, the total polymerization time can be controlled to be the same while changing the polymer particle size.
続いて、前記した乳化重合方法を自動的に行う重合装置について説明する。
先ず、重合装置の概略構成について図10に基づき説明する。図10は重合装置の概略構成を模式的に示す説明図である。
図10において、重合装置1は、水・乳化剤・重合開始剤・モノマーを混合してなるモノマー混合物(反応液)からポリマーを合成する撹拌槽2、供給装置3を介して撹拌槽2に投入される重合開始剤を貯留する開始剤貯留タンク4、ポリマー製造時における撹拌槽2内の温度・重合開始剤の投入量等の各種製造条件等を入力設定する操作部5、及び、操作部5にて入力設定された各種製造条件に基づき供給装置3を制御して撹拌槽2への重合開始剤投入量を制御したり、重合装置1全体を制御する制御部6を備えている。
Then, the superposition | polymerization apparatus which performs the above-mentioned emulsion polymerization method automatically is demonstrated.
First, a schematic configuration of the polymerization apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of the polymerization apparatus.
In FIG. 10, a
撹拌槽2内には、撹拌槽2内のモノマー混合物の温度を検出する温度センサ7及びモノマー混合物の粘度を常時検出する粘度センサ8が配設されている。温度センサ7及び粘度センサ8は、制御部6に接続されており、温度センサ7、粘度センサ8にて検出された温度データ及び粘度データは、制御部6にインプットされる。また、撹拌槽2内には、モータ9を介して回転軸10の回りに回転される撹拌翼11が配置されている。更に、撹拌槽2には、コンデンサ12が配設されている。
開始剤貯留タンク4には、予め実験により求められた所定量の重合開始剤が貯留されている。
In the
The
操作部5からは、後述するように、モノマーの重合率が40%以下の場合(以下、重合前期とする)における開始剤濃度とポリマー粒径との相関式、モノマーの重合率が40%を超えた場合(以下、重合後期とする)における重合速度式、基本重合条件(重合温度、開始剤濃度、モノマー仕込み量)、重合温度の上限及び下限値、目標ポリマー粒径、重合後期における目標重合速度(%/min)等の各種重合条件データが入力される。
また、操作部5から入力された各種の重合条件データは、制御部6に付設されているメモリに記憶される。
As will be described later, from the
Various polymerization condition data input from the
また、撹拌槽2には、その外壁を被覆するようにジャケット13が取り付けられている。ジャケット13の下方に形成された入口には配管14が接続されており、かかる配管14には、入口側温度センサ15、熱交換器16、ポンプ17が介装されている。
Moreover, the
ジャケット13の上方に形成された出口には配管18が接続されており、かかる配管18には、出口側温度センサ19、2つの電磁バルブ20、21が介装されている。電磁バルブ21は、配管25を介してポンプ17に接続されている。電磁バルブ21には、専用チラー22が接続されており、専用チラー22には供給管23を介して工場循環水が供給される。また、専用チラー22は、配管24を介してポンプ17に接続されている。
尚、入口側温度センサ15及び出口側温度センサ19は、共に制御部6に接続されており、入口側温度センサ15、出口側温度センサ19にて検出された温度データは、制御部6にインプットされる。
A
The inlet
供給管23から供給された工場循環水は、専用チラー22で冷却され、その冷却水は、配管24、ポンプ17、熱交換器16を介してジャケット13に供給される。撹拌槽2は、ジャケット13に供給された冷却水により冷却される。尚、ジャケット13に供給される冷却水の温度は、入口側温度センサ15を介して検出され、その検出温度データが制御部6にインプットされる。
ジャケット13に供給された冷却水は、配管18、電磁バルブ20、配管25、ポンプ17等を経由する循環路を介してジャケット13内を循環する。尚、循環される冷却水の温度は、出口側温度センサ19を介して検出され、その検出温度データは制御部6にインプットされる。
尚、冷却数の温度を上昇させる場合には熱交換器16が作動され、冷却水が昇温される。
The factory circulating water supplied from the
The cooling water supplied to the
In addition, when raising the temperature of the number of coolings, the
ここで、重合前期における開始剤濃度とポリマー粒径との相関式について図11に基づき説明する。図11は開始剤濃度とポリマー粒径との相関を示すグラフである。
かかる相関式は、事前に実験を行い、実験により得られた開始剤濃度(wt%)とポリマー粒径(μm)との関係を図11に示すようにプロットし、各プロットを外挿して相関式を求める。このように求めた相関式によりポリマー粒径は、下記数1のように表される。
Such a correlation equation is obtained by conducting an experiment in advance, plotting the relationship between the initiator concentration (wt%) and the polymer particle size (μm) obtained by the experiment as shown in FIG. 11, and extrapolating each plot to correlate. Find the formula. The particle diameter of the polymer is expressed by the
次に、重合後期における重合速度式について図12に基づき説明する。図12はアレニウスプロットを行って求めた反応速度定数と温度との関係を示すグラフである。
先ず、乳化重合における重合後期の重合速度式は、Smith-Ewart理論に基づき、下記数2のように表される。
First, the polymerization rate equation in the latter stage of the emulsion polymerization is represented by the following
前記数2についてアレニウスプロットを行い、反応速度定数と温度との関係を求めると、図12に示すように、lnk=−4810.7/T + 13.037、及び、k=exp(−4810.7/T + 13.037)となり、これより反応速度定数kについては、y=−4810.7x + 13.037と表される。
When the relationship between the reaction rate constant and the temperature is obtained by performing an Arrhenius plot for
また、開始剤濃度[I]は、時間t、温度T、初期開始剤濃度[I0]の関数として下記数3のように表される。
続いて、前記のように構成される重合装置1において、モノマーから自動的にポリマーの重合を行う手順について図13及び図14に基づき説明する。図13及び図14は重合装置にてポリマーの重合を行う際の重合制御手順のフローチャートである。
Next, a procedure for automatically polymerizing a polymer from a monomer in the
先ず、ステップ(以下、Sと略記する)1において、重合温度の上限及び下限値の範囲、基本重合条件(重合温度、開始剤濃度、モノマー仕込み量)、及び、前記のように求められた重合前期における開始剤濃度とポリマー粒径との相関式(数1)、重合後期における重合速度式(数5)が操作部5を介して入力され、制御部6のメモリに記憶される。
ここに、重合前期における開始剤濃度とポリマー粒径については、前記数1、数2を求めた際のセンター値(本実施形態では、開始剤濃度:0.015[wt%]、重合温度:45℃)とされる。
また、重合温度の上限及び下限値の範囲については、前記数1、数2を求めるにつき使用した実験条件の上限値及び下限値、又は、製品特性と重合温度との関係が顕著な場合には、製品特性を満たすにつき要求される重合温度範囲が使用される。
First, in step (hereinafter abbreviated as S) 1, the upper and lower limits of the polymerization temperature, basic polymerization conditions (polymerization temperature, initiator concentration, monomer charge), and the polymerization determined as described above. The correlation equation (Equation 1) between the initiator concentration and the polymer particle diameter in the first period and the polymerization rate equation (Equation 5) in the latter polymerization period are input via the
Here, for the initiator concentration and the polymer particle diameter in the pre-polymerization period, the center values obtained when the above-mentioned
In addition, regarding the range of the upper limit and the lower limit value of the polymerization temperature, the upper limit value and the lower limit value of the experimental conditions used for obtaining the
続くS2においては、操作部5を介して、作業者により目標ポリマー粒径、及び、重合後期における目標重合速度(%/min)が入力され、制御部6のメモリに記憶される。
In subsequent S <b> 2, the operator inputs the target polymer particle size and the target polymerization rate (% / min) in the later stage of polymerization via the
S3では、数1で表される相関式から、目標ポリマー粒径を得るための初期開始剤濃度I0が算出される。また、S4では、基本重合条件に基づいて撹拌槽2内の反応液が45℃となるように、ジャケット13等を介して昇温が開始される。
In S3, the initial initiator concentration I0 for obtaining the target polymer particle size is calculated from the correlation equation represented by
また、S5において、初期開始剤濃度I0を満たす開始剤量がモノマー仕込量から計算され、(I0×仕込量)が撹拌槽2に投入される。S6では、開始剤投入時において粘度センサ8を介して検出された反応液の初期粘度値μi及び開始剤投入時間tiがメモリに記録される。そして、重合反応中には、粘度センサ8を介して反応液の粘度がモニタされる。
In S5, the initiator amount satisfying the initial initiator concentration I0 is calculated from the monomer charge amount, and (I0 × charge amount) is charged into the stirring
そして、S7においては、検出粘度μが4×初期粘度値μi以上(μ≧4μi)となり、且つ、検出粘度μの値が安定(μの時間変化≒0)したかどうか判断される。具体的には、μ≧4μiとなり、且つ、1分前のμの値と比較してその差が5%以下になったかどうか判断される。μ≧4μiとなり、且つ、1分前のμの値と比較してその差が5%以下になった場合には、前記図5にて説明したように、モノマーの重合率が40%に到達したものと判断される。
S7における判断がNOの場合(S7:NO)には、前記条件が満足されるまで待機する。一方、S7における判断がYESとなった場合(S7:YES)には、開始剤投入時間をt1として記録するとともに、S9乃至S17における処理・判断により、重合後期における各種重合条件が設定される。
In S7, it is determined whether or not the detected viscosity μ is equal to or greater than 4 × the initial viscosity value μi (μ ≧ 4 μi), and the value of the detected viscosity μ is stable (time change of μ≈0). Specifically, it is determined whether μ ≧ 4 μi and whether the difference is 5% or less compared to the value of μ one minute ago. When μ ≧ 4 μi and the difference is 5% or less compared to the value of μ one minute ago, the monomer polymerization rate reaches 40% as described in FIG. It is judged that
If the determination in S7 is NO (S7: NO), the process waits until the condition is satisfied. On the other hand, when the determination in S7 is YES (S7: YES), the initiator charging time is recorded as t1, and various polymerization conditions in the late polymerization period are set by the processing and determination in S9 to S17.
重合後期における重合条件の設定するについて、図14に示すように、先ず、S8において、S7で判断がYESとなった時点における残存開始剤濃度[It]が数3、数4を使用して求められる。具体的には、時間tに(t1−ti)、温度Tに45℃、初期開始剤濃度に数1にて求められたI0を代入して求められる。
Regarding the setting of the polymerization conditions in the later stage of polymerization, as shown in FIG. 14, first, in S8, the residual initiator concentration [It] at the time when the determination in S7 is YES is obtained using
続くS9では、重合後期における重合速度式(数5)中における[I0]に[It]が代入され、S10では、−d[M]/dtに目標重合速度、[M]に残存モノマー濃度(重合率が40%であることから、全仕込みモノマーの60%が残存しているものとして算出される)を代入し、これらを満たす重合後期において要求される重合温度T1[K]が算出される。 In the subsequent S9, [It] is substituted for [I0] in the polymerization rate equation (Equation 5) in the latter stage of polymerization, and in S10, the target polymerization rate is assigned to -d [M] / dt, and the residual monomer concentration ( Since the polymerization rate is 40%, it is calculated that 60% of all charged monomers remain), and the polymerization temperature T1 [K] required in the later stage of polymerization that satisfies these is calculated. .
また、S11では、要求温度T1が重合温度の上限値及び下限値の範囲内であるかどうか判断される。その判断がYESである場合(S11:YES)には、S12にて重合後期に要求される要求温度T1として制御部6に出力される。この後S17に移行する。
これに対して、S11における判断がNOの場合(S11:NO)には、S13において、要求温度T1が許容上限温度以上であるかどうか判断される。S13における判断がNOの場合(S13:NO)には、S14にて許容下限温度が要求温度T1として制御部6に出力される。この後S17に移行する。
In S11, it is determined whether the required temperature T1 is within the range between the upper limit value and the lower limit value of the polymerization temperature. If the determination is YES (S11: YES), it is output to the
On the other hand, if the determination in S11 is NO (S11: NO), it is determined in S13 whether the required temperature T1 is equal to or higher than the allowable upper limit temperature. If the determination in S13 is NO (S13: NO), the allowable lower limit temperature is output to the
これに対して、S13における判断がYESの場合(S13:YES)には、S15にて許容上限温度値及び要求温度T1が数5に代入され、重合後期に要求される開始剤濃度が算出される。この後S16において、重合後期に要求される開始剤濃度から既に消費された開始剤量([It]×モノマー仕込量)を差し引いた開始剤量を重合後期に追加すべき開始剤量とし、且つ、許容上限温度を重合後期に要求される要求温度T1として制御部6に出力される。これにより、要求温度が許容上限温度以上である場合の開始剤量の補正が行われる。この後S17に移行する。
On the other hand, if the determination in S13 is YES (S13: YES), the allowable upper limit temperature value and the required temperature T1 are substituted in
S17においては、前記にて求められた重合後期における要求温度に基づきジャケット13等を介して撹拌槽2が温調される。更に、S18にて、前記のように求められた重合後期における重合条件に従って、モノマーの重合反応が進行されていく。
In S17, the temperature of the stirring
以上詳細に説明した通り本実施形態に係るポリマー粒子製造方法では、モノマーの重合率が40%に至る前において、重合温度、重合開始剤濃度等に基づく重合速度を調整することによりポリマー粒径が目標粒径に制御され、モノマーの重合率が40%を超えた後においては、ポリマー粒径は重合速度とは関係なく一定に保持されるので、モノマーの重合率が40%に至る前に重合速度を制御してポリマー粒子の粒径を所望粒径に調整しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後にポリマー粒子の粒径を目標粒径に維持しつつ、乳化剤濃度を高くすることなく重合速度を自在に変更してモノマーの重合完了時間を制御することが可能となる。 As described above in detail, in the polymer particle production method according to the present embodiment, before the polymerization rate of the monomer reaches 40%, the polymer particle size is adjusted by adjusting the polymerization rate based on the polymerization temperature, the polymerization initiator concentration, and the like. After the target particle size is controlled and the polymerization rate of the monomer exceeds 40%, the polymer particle size is kept constant regardless of the polymerization rate, so the polymerization is performed before the polymerization rate of the monomer reaches 40%. If the particle size of the polymer particles is adjusted to the desired particle size by controlling the speed, the emulsifier concentration is increased while maintaining the particle size of the polymer particles at the target particle size after the polymerization rate of the monomer exceeds 40%. The polymerization completion time can be controlled by freely changing the polymerization rate without doing so.
また、乳化重合の進行に伴って反応物の粘度を連続的に測定し、粘度の上昇が略停止して安定した時点で、モノマー重合率が40%を超えたものと判断するので、モノマーの重合率が40%になる時点を反応液の粘度変化に基づき判断することが可能となる。 In addition, the viscosity of the reaction product is continuously measured as the emulsion polymerization progresses, and when the increase in viscosity is substantially stopped and stabilized, it is determined that the monomer polymerization rate exceeds 40%. It becomes possible to judge the point of time when the polymerization rate reaches 40% based on the change in viscosity of the reaction solution.
更に、本実施形態に係る重合装置1では、粘度センサ8を介して検出される反応液の粘度値が上昇している間はモノマーの重合率が40%以下にあるものと判断するとともに、各種の重合条件(S1乃至S4)により決定される重合速度でモノマーの重合を行ってポリマー粒子のポリマー粒径が目標粒径にされ、また、粘度センサ8を介して検出される反応液の粘度値の上昇が停止して安定した時点でモノマーの重合率が40%を超えたものと判断する(S7:YES)とともに、この後においてはポリマー粒径は重合速度とは関係なく一定に保持されるので、モノマーの重合率が40%に至る前に所望の重合速度に制御してポリマー粒子の粒径を目標粒径に調整しておけば、モノマーの重合率が40%を超えた後にポリマー粒子の粒径を目標粒径に維持しつつ、乳化剤濃度を高くすることなく重合速度を種々変更してモノマーの重合完了時間を制御することが可能となる。
Furthermore, in the
また、モノマーの重合が進行するに従って粘度センサ8を介して測定される反応液の粘度が上昇している間はモノマーの重合率が40%以下にあるものと判断され、粘度センサ8を介して測定される反応液の粘度の上昇が略停止して安定した時点でモノマーの重合率が40%を超えたものと判断されるので、モノマーの重合率が40%になる時点を反応液の粘度変化に基づき判断することが可能となる。
In addition, while the viscosity of the reaction liquid measured through the
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 重合装置
2 撹拌槽
4 開始剤貯留タンク
5 操作部
6 制御部
8 粘度センサ
13 ジャケット
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記モノマーの重合率が40%に至る前に、モノマーの重合速度を制御することにより前記ポリマー粒子のポリマー粒径を所定粒径にし、
前記モノマーの重合率が40%を超えた後に、前記ポリマー粒径を所定粒径に維持しつつ、モノマーの重合完了時間を制御することを特徴とするポリマー粒子製造方法。 In the polymer particle production method of producing a polymer particle by emulsifying and dispersing a reaction solution in which water, an emulsifier, a polymerization initiator and a monomer are mixed, and performing emulsion polymerization of the monomer,
Before the polymerization rate of the monomer reaches 40%, the polymer particle size of the polymer particles is set to a predetermined particle size by controlling the polymerization rate of the monomer,
After the polymerization rate of the monomer exceeds 40%, the polymerization completion time of the monomer is controlled while maintaining the polymer particle size at a predetermined particle size.
前記粘度の上昇が略停止して安定した時点で、前記モノマー重合率が40%を超えたものと判断することを特徴とする請求項1に記載のポリマー粒子製造方法。 As the emulsion polymerization proceeds, the viscosity of the reactant is continuously measured,
2. The method for producing polymer particles according to claim 1, wherein the monomer polymerization rate is determined to have exceeded 40% when the increase in viscosity is substantially stopped and stabilized. 3.
第1重合速度及び第2重合速度を設定する重合速度設定手段と、
前記反応液におけるモノマーの重合率を検出する重合率検出手段と、
前記重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%に至る前には前記重合速度設定手段に設定された第1重合速度でモノマーの重合を行って前記ポリマー粒子のポリマー粒径を所定粒径にし、重合率検出手段により検出されるモノマーの重合率が40%を超えた後に第1重合速度から第2重合速度に切り換えてモノマーの重合を行ってポリマー粒径を所定粒径に維持しつつモノマーの重合完了時間を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする重合装置。 In a polymerization apparatus for producing polymer particles by emulsifying and dispersing a reaction liquid in which water, an emulsifier, a polymerization initiator and a monomer are emulsified and dispersed,
A polymerization rate setting means for setting the first polymerization rate and the second polymerization rate;
A polymerization rate detection means for detecting the polymerization rate of the monomer in the reaction solution;
Before the polymerization rate of the monomer detected by the polymerization rate detection means reaches 40%, the monomer is polymerized at the first polymerization rate set by the polymerization rate setting means to determine the polymer particle size of the polymer particles. After the polymerization rate of the monomer detected by the polymerization rate detection means exceeds 40%, the monomer polymerization is performed by switching from the first polymerization rate to the second polymerization rate to maintain the polymer particle size at a predetermined particle size. And a control means for controlling the completion time of the polymerization of the monomer.
前記制御手段は、前記モノマーの重合が進行するに従って前記粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度が上昇している間はモノマーの重合率が40%以下にあるものと判断し、粘度測定手段を介して測定される反応液の粘度の上昇が略停止して安定した時点でモノマーの重合率が40%を超えたものと判断することを特徴とする請求項3に記載の重合装置。 The polymerization rate detecting means includes a viscosity measuring means for measuring the viscosity of the reaction liquid while being immersed in the reaction liquid,
The control means determines that the polymerization rate of the monomer is 40% or less while the viscosity of the reaction liquid measured through the viscosity measurement means is increasing as the polymerization of the monomer proceeds, 4. The polymerization apparatus according to claim 3, wherein the polymerization rate of the monomer is determined to have exceeded 40% when the increase in the viscosity of the reaction solution measured through the measuring means is substantially stopped and stabilized. .
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