JP2010502786A - 再循環ループ反応装置によるバルク重合方法 - Google Patents
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Abstract
再循環ループ反応装置を用いてポリマー、特に接着剤を製造する方法。一実施形態において、反応装置は、供給原料を反応装置中を再循環している重合した材料と混合するため、
一台以上のミキサーを備えている。他の実施形態では、この混合のために遊星ローラー押出機(PRE)を用いる。また、他の実施形態においては、一台以上の静的ミキサーと一台以上のPREとを組み合わせて用いる。
【選択図】図1
一台以上のミキサーを備えている。他の実施形態では、この混合のために遊星ローラー押出機(PRE)を用いる。また、他の実施形態においては、一台以上の静的ミキサーと一台以上のPREとを組み合わせて用いる。
【選択図】図1
Description
本出願は、2006年8月30日に出願された米国仮出願第60/841079号と、2006年10月23日に出願された米国仮出願第60/853578号における利益を請求する。
本出願は、再循環管型ループ反応装置系を用いてポリマー組成物を調製する連続バルク重合方法およびそれに関連する装置に関し、特に、遊星ローラー押出機(Planetary roller extruder、PRE)を備えた再循環管型ループ反応装置を用いて接着剤等のポリマー組成物を調製する連続バルク重合方法およびそれに関連する装置に関する。
重合により接着剤を製造する方法として、従来のバルク重合法が知られている。その方法の一つでは攪拌槽型反応装置を用いており、内部において発熱反応で発生した熱を容器から除去するための冷却ジャケットが備えられている。そのような従来の方法は、転化率が低い場合では多少効果があった。しかしながら、高転化率かつそれに伴って高粘度である場合は、熱伝達面に物質が付着しやすくなり、このため温度制御ができなくなり暴走反応が起き易くなる。低転化率で実施しても、この問題に対する経済的解消にはならない。それは、低転化率での運転において使用される過剰量のモノマーは、例えば、乾燥や液化等の方法によって最終的にポリマー中から取り除く必要があり、このため、追加工程が必要となってコストの増大を招くからである。
本発明の一態様では、再循環管型ループ反応装置による重合方法は、(a)少なくとも1種のモノマーを少なくとも1種の開始剤(開始剤をその活性化温度より高い温度に加熱すると活性化が始まる)と混合して供給原料を用意する工程と、(b)混合物を少なくとも開始剤の活性化温度に加熱して部分的に重合した中間体を生成する工程と、(c)部分重合中間体の一部をループ反応装置中において再循環させる工程と、(d)残りの重合中間体を、ループ反応装置から除去される流れに導く工程と、(e)再循環している中間体を開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却する工程と、(f)冷却された再循環している中間体を、追加された供給原料と混合する工程と、(g)乾燥、液化等により未反応物(モノマー)を上記の残りの重合中間体から除去する任意の工程と、(h)上記の残りの重合中間体を網状材料に塗布する任意の工程とを含む。
本発明の一実施形態では、供給原料を混合し、混合した供給原料と再循環した部分重合中間体とを混合するため、ループ反応装置において静的ミキサーを用いている。他の実施形態では、この目的のためにループ反応装置において遊星ローラー押出機を用いている。
静的ミキサーはループ反応装置において好適に用いられる。それは、静的ミキサーは比較的大量の反応物を収容することができるため、ループ反応装置の特定の段階において所定のポリマー転化度が望まれるが、この所定のポリマー転化度を得るのに必要な滞留時間が得られるからである。しかしながら、静的ミキサーの中で反応物が重合するにつれ、その分子量および溶融粘度が増大する。このため、重合した物質をループ反応装置内で循環させることがさらに困難になることがある。一実施形態において、ループ反応装置の静的ミキサーの一つ(またはそれ以上)を二軸押出機や遊星ローラー押出機(PRE)等の動的ミキサーと交換することが望ましいことが判明した。PRE等の動的ミキサーは静的ミキサーよりも滞留量が少なくなることが多いが、反応混合物をせん断により細断するため、反応混合物の溶融粘度を低下して重合材料をループ反応装置内で移動させやすくする。PRE等の動的ミキサーは反応物を効率良く混合し、反応体中に未反応物(モノマー)が局所的に堆積するのを低減するため、好適である。
したがって、ループ反応装置を用いてポリマー材料を調製する他の方法は、(a)少なくとも1種のモノマーと少なくとも1種の活性化開始剤とを含有する供給原料を、押出機、特に、遊星ローラー押出機等の反応ループ内に設置した動的ミキサーに導入する工程と、(b)部分重合中間体を動的ミキサーに導入して重合性混合物を生成する工程と、(c)工程(b)からの混合物を少なくとも開始剤の活性化温度に加熱して供給原料中のモノマーを重合中間体と重合させる工程と、(d)反応装置中の工程(c)の生成物の第1部分を再循環させる工程と、(e)工程(c)の生成物の残部をループ反応装置から除去される流れに導く工程と、(f)工程(c)の生成物の再循環している分を追加された供給原料と混合する工程とを含む。
他の実施形態においては、工程(d)において、(g)工程(c)の生成物を開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却する工程をさらに含む。また、他の実施形態においては、上記方法において、(h)工程(e)による除去前に、部分重合体の残部を追加反応させて、さらに重合を進める任意の工程をさらに含む。さらに、他の実施形態においては、上記方法において、(i)工程(e)による除去前に、乾燥、液化等により未反応物(モノマー)を上記の生成物の残部から除去する工程をさらに含む。また、他の実施形態においては、上記方法において、(j)重合した生成物を網状材料に塗布する工程をさらに含む。
本発明の他の態様では、再循環ループ反応装置と、押出機、特に、遊星ローラー押出機のような動的ミキサーとの組合せをポリマー材料の調製方法において用い、調製方法は、(a)少なくとも1種のモノマーと少なくとも1種の開始剤からなる供給原料を、部分重合中間体が再循環しているループ反応装置内に導入し、重合性混合物を生成する工程と、(b)工程(a)の混合物を少なくとも開始剤の活性化温度に加熱してモノマーを部分重合中間体と重合させる工程と、(c)工程(b)からの重合された中間体を開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却しながら反応装置内を循環させる工程と、(d)工程(c)からの冷却した再循環している重合中間体と追加された供給原料とを混合し、モノマーを中間体とさらに重合させる工程と、(e)さらに重合した材料の一部をループ反応装置から除去する工程と、(f)さらに重合したポリマー材料を遊星ローラー押出機内で追加反応させて未反応物(モノマー)を低減する工程とを含む。さらに、他の実施形態では、上記方法において、(g)乾燥、液化等により未反応物(モノマー)を除去する工程をさらに含む。また、他の実施形態では、上記方法において、(h)重合した生成物を網状材料に塗布する工程をさらに含む。
他の態様においては、少なくとも1種のラジカル重合部分を含有する少なくとも1種のアルキルアクリレートモノマーと加熱によって活性化される開始剤との反応生成物である接着性組成物を前述した方法にしたがって製造する。
また、他の態様においては、スロットダイアプリケーター等の塗布器を用いて接着性組成物を網状材料に塗布してもよく、塗布後、接着性組成物を架橋してもよい。
一実施形態によると、図1に示す再循環管型反応装置を用いた工程10により接着剤(例えば、アクリル酸系感圧接着剤)を調製できる。主要な原料として、第1モノマー12(例えば、アクリル酸ブチル、”BA”)、第2モノマー13(例えば、酢酸ビニル、”VA”)、第3モノマー14(例えば、アクリル酸、”AA”)、および熱重合開始剤15(例えば、アゾジイソブチロニトリル、”AIBN”)を含有させる。モノマー12、13、14および開始剤15の供給量は、それぞれ、ダブルダイヤフラムポンプ等のポンプ16、17、18、19により制御する。各ポンプ16、17、18、19の流量は、例えば、各ポンプ16、17、18、19の図示していないピストンの周波数および/またはストローク長により制御すればよい。
ただし、モノマーおよび開始剤の量、質、および種類は所望の最終生成物により決まり、また、3種類のモノマー12、13、14および1種類の開始剤15を用いた図1に示す工程が一例にすぎないということは、当業者であれば理解できるであろう。他の開始剤を追加して用いても良い。また、1種またはそれ以上のモノマーを用いてもよい。供給流25に流す前にモノマーおよび開始剤をあらかじめ混合しておく必要は無く、それぞれ供給して、ループ上のミキサーにおいて混合させてもよい。
開示した工程10において有用なモノマーとして、以下に限定されないが、アルキルアクリレートモノマーまたはアルキルアクリレートモノマーの混合物、例えば、アルキル基を含有するアルキルアクリレートモノマーと約2〜約20、好ましくは、4〜10の炭素原子との混合物が挙げられる。好ましいアルキルアクリレートモノマーとして、2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル酸ブチル(BA)、イソオクチルアクリレート、イソデシルアクリレート、および当業者に知られる他のモノマーやそれらの混合物が挙げられる。ジビニルモノマーを分子量やポリマー骨格の内部強度増大のために用いてもよく、工程10の一実施形態として適用してもよい。また、一実地形態として、アクリル系ポリマーの重量に対して最大11%までジビニルモノマーを用いても良い。所定の実施形態を実施する際に好適に用いられるビニルモノマーとして、スチレン、アクリル酸(AA)、αメチルスチレン、テトラエチレングリコールジアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、メチルアクリレート、プロピルアクリレート、プロピルメタクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘキシルメタクリレート、および酢酸ビニル(VA)が挙げられる。
一実施形態として、開示した工程10において好適に用いられる重合開始剤15として、活性化温度または分解温度に加熱したときに遊離基を放出するものならば、化合物、組成物、または、化合物および/または組成物との組合せのどれを用いても良い。例えば、有用な開始剤15として、有機過酸化物およびアゾ化合物が挙げられ、以下に限らないが、過酸化ラウロイル、t−ブチルパーオキシ(2−ヘキサン酸エチル)、過酸化ベンゾイル、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、アゾ−ジイソブチロニトリル、およびアゾビス−2−メチルブチロニトリルなどがある。他の実施形態として、開始剤15として、光(例えば、紫外線)、放射線、化学的相互作用等の遊離基を発生するものならば、どの材料や方法を用いてもよい。
一実施形態では、モノマー全重量に対して約0.002〜約2.0重量%、特に、約0.01〜約1.0重量%の範囲で開始剤15を用いるとよい。
重合反応の温度は、用いるモノマーの種類、開始剤の分解温度および/または所望の高分子製品により決まる。例えば、開始剤15としてAIBNを用いる場合は、重合反応を約100〜約140℃において行えばよい。
図1に戻り、モノマー12、13、14、および開始剤15を第1静的ミキサー28において完全に混合する。一実施形態によると、バルク供給流25(図1において記号Fで示され、時間当たりの重量という単位で表される)に流してミキサー28に供給する前に、開始剤15を第1モノマー12と混合して混合物24をあらかじめ作製しておいてもよい。変形例として、開始剤15を、処理予定の最大量のモノマーと予め混合しておいてもよく、それにより開始剤が分散しやすくなる。
静的ミキサー28では、モノマー12、13、14、および開始剤15を完全に混合して出力流30を生成するのに十分な滞留時間τ1がある。ここで、供給原料がミキサー28を通過する際、供給原料の温度を上昇または低下させることが望ましい場合は、加熱/冷却を行うためのジャケット26または他の熱伝達装置を静的ミキサー28に取付けてもよい。管型反応装置の滞留時間は、一般にτで表され、反応容器の自由体積と体積供給量との比で定義される。図1では静的ミキサーをループ外に位置させているが、ミキサー28をループ中に組み込んでもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。
図1に示した工程10の全体の物質収支から、ポリマー生成物量Pはモノマーおよび開始剤の流量Fと等しいといえる。供給原料流30は流量Fであり、流量Rの再循環ポリマー流48と合流させてポリマー/モノマー/開始剤混合流32を生成する。ポリマー/モノマー/開始剤混合流32は静的ミキサー35に供給する。この静的ミキサー35では、混合流32を完全に混合するのに十分な滞留時間τ2がある。容器35の出力先では出力流36となる。加熱および/または冷却を行うためのジャケット34を静的ミキサー35に必要に応じて取付けてもよい。
再循環流量Rは、反応ループ(例えば、流れ30および48が合流する地点)に戻ってきた液体の量で表される。循環比PRは、RとPの比で表される。
歯車ポンプ37を、静的ミキサー35の流れ36と静的ミキサー40への入口流38との間の流路に流体が流通するように連結する。静的ミキサー40では、流れ38を混合/反応させて流れ41を生成するのに十分な滞留時間τ3がある。歯車ポンプ37の体積流量は、FおよびRの合計である。
一実施形態によると、ミキサー40において流れ38を開始剤の活性化温度より高い温度に加熱することにより、ラジカル重合反応を開始させることができ、モノマーを少なくとも部分的にポリマーに転化させることができる(例えば、流れ41は転化度がX1である)。この場合、流れ38、41を加熱/冷却するためのジャケット39をミキサー40に取り付けておく。
液体モノマーの接着性ポリマーへの部分転化度は、一般に、Xnで表されて以下のように求められる。
Xn=1−(Cn/C0)
ここで、Xnには0から1の間の数値も含まれる。例えば、X1は以下のように求められ、
X1=1−(C1/C0)
ここで、C0は流れ32中の反応物(モノマー)の濃度であり、C1は流れ41中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、X2は以下の様にして求められ、
X2=1−(C2/C0)
ここで、C2は流れ44中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、X3は以下の様にして求められ、
X3=1−(C3/C0)
ここで、C3は流れ50中の反応物(モノマー)の濃度である。
Xn=1−(Cn/C0)
ここで、Xnには0から1の間の数値も含まれる。例えば、X1は以下のように求められ、
X1=1−(C1/C0)
ここで、C0は流れ32中の反応物(モノマー)の濃度であり、C1は流れ41中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、X2は以下の様にして求められ、
X2=1−(C2/C0)
ここで、C2は流れ44中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、X3は以下の様にして求められ、
X3=1−(C3/C0)
ここで、C3は流れ50中の反応物(モノマー)の濃度である。
例えば、工程10を用いてBA、VA、およびAAをAIBNと反応させてアクリル酸系PSAを生成する場合、転化度X1は約0.8、転化度X2は0.95、転化度X3は0.99となる。実際の転化度は、流量F、R、Pや、容器28、35、40、42、50、60および他の因子により変わることは、当業者であれば理解できるであろう。
静的ミキサー40からの流れ41は、静的ミキサー42に流入し、静的ミキサー42では、モノマーをポリマーに連続的に転化して転化度X2を得るのに十分な滞留時間τ4がある。容器42には、流れ41を加熱/冷却する手段を得るためにジャケット43を取り付けてある。流れ44はFおよびRの合計からなる流量となり、流量Pの流れ45および流量Rの流れ46に分流される。この分流の体積量は歯車ポンプ51により制御され、歯車ポンプ51は流れ50と52の間の流路に流体が流通するように連結されている。ここで、歯車ポンプ51の体積流量をPとする。歯車ポンプ51の代わりに、図示していない三方弁を流れ45が流れ46から分岐する地点に設置し、三方弁により再循環流量Rを制御してもよい。また、三方弁をポンプ51と共に用いてもよい。流れ45は静的ミキサー60に流入し、モノマーをさらに反応させて転化度X3とする。容器60には十分な滞留時間τ6があり、流量Pで転化度X2の流れ45を流量Pの転化度X3の流れ50に変えるための加熱/冷却手段がある(例えば、ジャケット58)。
管型反応装置によるループ工程サイクルは、流量Rで静的ミキサー50に流入する流れ46で終了可能であり、静的ミキサー50では、流れ全体を開始温度より低い温度に冷却するための十分な滞留時間τ5がある。転化度X2を大体維持しながら、出口流48が容器50から流出する。静的ミキサー/冷却器50には、流れ46を冷却しやすいようにジャケット54が取り付けられている。
一実施形態によると、ループ滞留総時間はτ2、τ3、τ4、およびτ5の合計となる。例えば、1時間当たり約3回、ポリマー混合物をループで再循環させる場合は、ループ滞留総時間は約20分となる。他の実施形態において、ループ滞留総時間が1時間当たり約1〜約4再循環となるように歯車ポンプ37、51を調節してもよい。この場合、滞留総時間は所望の生成物によって決まり、最終的に得られる所望のポリマーの種類や、用いるモノマーおよび開始剤により変わるということは、当業者であれば理解できるであろう。
一実施形態によると、生成物流52(例えば、最終生成物)をスロットダイアプリケーターのような塗布器を用いて網状の材料に塗布してもよい。ただし、ここで述べた再循環管型反応装置による工程10は、様々な異なる用途の各種ポリマー材料の製造に用いることができることは、当業者であれば理解できるであろう。例えば、ここで述べた工程10を剥離剤、下塗塗料、非PSA接着剤、封止剤、コーキング材、アクリルハイブリッド系PSA、および、ウレタンアクリル樹脂、エポキシアクリル樹脂、スチレンアクリル樹脂等の非PSA塗料などの製造に用いても良い。
連続管型反応装容器等の静的ミキサーでは、反応物の供給と生成物の引き出しが同時に連続的に行われる。反応容器の一端より反応物が流入し、他の一端より生成物が流出し、その間は、反応中の混合物の組成が連続的に変化している。管型反応容器への熱伝達および/または管型反応容器からの熱伝達はジャケットまたはシェル、および管設計により実施可能とされる。静的ミキサー中において、液状媒体は、分裂および再結合の連続により自己混合する。静的ミキサーは可動部品が無いため、維持および運転費用を著しく低減することができる。混合に必要なエネルギーは、容器中に流体を流動させるポンプ37、51により得られる。管型反応容器では、実際は、反応容器を通過する流体の流れは順になっており、流体の一部の元素が先行したり、前方または後方の他の元素が混合したりすることはない。
ここで述べた歯車ポンプ37、51には、ポンプの空洞を規定するハウジング(図示せず)と、ポンプの空洞内に回転自在に配置された互いにかみ合う一対の歯車(図示せず)と、各歯車に備えられた歯車の軸方向に延在する取付用軸(図示せず)と、回転自在に歯車の軸を支持する軸受手段(図示せず)とが備えられている。軸受手段は、歯車に対向して配置された径方向表面と、歯車の軸を回転自在に支持するための一対の軸方向開口部を備えている。ポンプ37、51の駆動軸をモーター(図示せず)で外部から回転させることにより、歯車ポンプ37、51を駆動させる。材料は歯車ポンプ37、51を通過するため、歯車による回転または歯車への回転は、歯車を通過した材料の量に正比例する。したがって、流路を流れる合成樹脂の量を測定する精密な装置として歯車は機能することになる。歯車機構の数は、歯車の大きさまたは歯車の軸方向厚さにより変わる。
ここで述べた容器28、35、40、42、50、60は2つの目的のために用いられ、すなわち、(1)それらを通過する流体の温度を上げるおよび/または下げる、(2)それらを通過する流体を混合する、という目的がある。容器28、35、40、42、50、60は「滞留時間用反応容器」といえ、これら容器により反応物が活性化温度になるための追加の時間が得られ、また、反応物をさらに混合することが可能となるからである。
ここで、工程10において容器28、35、40、42、50、60を増減して用いてもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。例えば、容器40、42を別々の容器としたり、連結して単一の容器としてもよい。
例えば、バルク供給流25に、BAのモノマー流12を流量6.83kg/hr、VAのモノマー流13を流量0.6kg/hr、AAのモノマー流を流量68g/hr、およびAIBN開始剤15を流量2g/hrとして含有させる。この場合、生成物流52は流量Pが7.5kg/hrのアクリル酸系PSAとなる。
静的ミキサー/加熱器35では、低粘度のモノマー/開始剤を高粘度のポリマーと混合させることになる。70℃では、開始剤(AIBN)およびモノマーは共存しているが、互いに反応はしない。ここで、再循環流48を0.042m3/hr、900kg/m3、700Pasとし、流れ30を0.00833m3/hr、900kg/m3、0.01Pas、流れ32を0.05m3/hr、900kg/m3、583Pasとする。静的ミキサー/加熱器35には、図2に示すように、CSE−X/8、DN49.5、18エレメント、Δp=約21bar、せん断速度10.5s−1、滞留時間104秒、長さ約900mmのものを用いている。
一実施形態においては、歯車ポンプ37には、約50barの圧力に対する粘度が約1000Pasのポリマーを約50kg/hrで押し出し可能なものを用いる。流れはポンプ37(流量計を任意で付加してもよい)の精度で制御される。一実施形態においては、再循環速度Rは供給速度Fの約1〜約5倍としている。
モノマー/ポリマー/開始剤からなる均質化した混合物38をミキサー/熱交換器40において加熱する。約70℃から約120℃へ温度を上げることにより、重合反応を開始する。発生した熱は部分的にバルクのポリマーに吸収され、重合反応により、例えば、約20〜約40℃上昇する。Marlotherm(R)L熱伝導流体を、例えば約120℃で反応容器のジャケット39に供給して、加熱を行ってもよい。一旦反応を開始したら、反応容器のジャケット39は冷却器として用い、それにより温度管理を行う。混合物(流れ41)は、0.005m3/hr、900kg/m3、700Pas、Cp(熱容量)が2300J/kg/K、λ(潜熱)が0.15W/m/Kである。図2に示すように、ミキサー/熱交換器40には、CSE−XR、DN80、8エレメント、Δp=約5bar、せん断速度4s−1、滞留時間170秒、長さ約750〜1100mmのものを用いている。
Marlotherm(R)LHは高機能の合成の有機熱伝導媒体であり、液体の状態で、運転温度約0〜約280℃において閉鎖系の強制循環式未加圧熱交換機構において用いられるものである。Marlotherm(R)熱伝導流体は、Sasol Olefines&Surfactants(Marl、ドイツ)により提供されている。AIBN開始剤に好適なように反応温度は約120℃に設定したが、異なる熱重合開始剤や熱重合開始剤の混合物を用いる場合は、異なる反応温度に設定する。
容器42は二重ジャケットミキサーであり、生成量や生成物の品質向上のため、滞留時間をさらに得られ、混合をさらに行える。ポリマー流41、44は、例えば120℃に、一定に保つ。混合物(流れ44)は、0.05m3/hr、900kg/m3、700Pasとなる。図2に示すように、ミキサー/熱交換器42には、CSE−X/4、DN80、15エレメント、Δp=約3bar、せん断速度1.6s−1、滞留時間390秒、長さ約1200mmのものを用いている。
モノマー/ポリマー/開始剤の混合物を再循環ループにおいて容器50により約120℃から約70℃へ冷却することにより、さらなる重合を減少または抑制することが出来る。容器50のジャケット54に、例えば約60℃でMarlotherm(R)Lを供給し、これを用いて容器50において冷却を行う。混合物(流れ48)は、0.005m3/hr、900kg/m3、700Pas、Cpが2300J/kg/K、λが0.15W/m/Kとなる。図2に示すように、ミキサー/熱交換器50には、CSE−XR、DN80、18エレメント、Δp=約11bar、せん断速度4s−1、滞留時間390秒、長さ約1600mmのものを用いている。
容器60は二重ジャケットミキサーであり、滞留時間をさらに得られ、混合をさらに行えるため、転化度がX2からX3へ増加する。流量Pが7.5kg/hrとなるように歯車ポンプ51で制御する。混合物(流れ52)は、0.00833m3/hr、900kg/m3、700Pasとなる。図2に示すように、ミキサー/熱交換器60には、CSE−X/4、DN40、15エレメント、Δp=約6bar、せん断速度2.7s−1、滞留時間265秒、長さ約700mmのものを用いている。
図2に示すように、流量、温度、圧力、容器の液位、溶融粘度および電力センサー読取機、および各種制御システムを、作業者が工程制御しやすいように設ける。他の工程制御の特徴としては、耐圧配管、耐圧弁、工程開始機構、工程停止機構、三方弁、ポリマー濃度および残留モノマー測定機構などが挙げられる。
一実施形態では、図3に示す工程110により、遊星ローラー押出機(PRE)を用いて高分子製品(例えば、アクリル酸系感圧接着剤(PSA))を製造する。図3にはPREが示されているが、他の動的ミキサーや押出機を代わりに用いたり、PREと組み合わせて用いてもよい。主要な原料として、第1モノマー120(例えば、アクリル酸ブチル、”BA”)、第2モノマー130(例えば、酢酸ビニル、”VA”)、第3モノマー140(例えば、アクリル酸、”AA”)、および熱重合開始剤150(例えば、アゾジイソブチロニトリル、”AIBN”)を含有させる。モノマー120、130、140および液状開始剤または液状の固体開始剤150の供給量は、それぞれ、ダブルダイヤフラムポンプ等のポンプ160、170、180、190により制御を行う。各ポンプ160、170、180、190の流量は、例えば、各ポンプ160、170、180、190の周波数および/またはストローク長により制御を行う。
モノマーおよび開始剤の量、質、および種類は所望の最終生成物により決まり、また、図3に示す工程では3種類のモノマー120、130、140および1種類の開始剤150を用いているが、これは一例にすぎないということは、当業者であれば理解できるであろう。モノマーおよび開始剤の数は、生成物により変えて用いる。
開示した工程110において有用なモノマー120、130、140および重合開始剤150としては、開示した工程10において前述したものが挙げられる。
一実施形態では、供給原料であるモノマーの全重量に対して約0.002〜約2.0重量%、特に、約0.01〜約1.0重量%の範囲で開始剤150を用いるとよい。
図3において、110と表示された反応装置のループは、例えば、アクリレート重合体生成物の生成に用いられる。モノマー120、130、140、および液体開始剤または液状の固体開始剤150を、ポンプ160、170、180、190によりそれぞれ供給して流量F(図3に示す)のバルク供給流200を生成する。
供給流200を第1遊星ローラーバレル270に供給し、そこで再循環流量R(図3に示す)の再利用したポリマー流370と混合して約25〜約240℃に加熱し、ラジカル反応工程を開始させる。本実施形態では、混合物300を第2遊星ローラー押出機のバレル280および第3遊星ローラー押出機のバレル290に供給し、そこで予め設定した滞留時間においてポリマー流300の最終の残留モノマー濃度を最小限にする。供給流200と同様に、各モノマー120、130、140の注入はPREの長さ方向に沿ったどこでもよいが、第1PREバレル前のスプレーリングに注入弁を挿入して、この注入弁により供給することが最も好ましい。また、注入弁は、どのPREバレルの前や後の分散リングに挿入してもよく、バレルに直接接続しているサイドポートや、他の内部や外部の供給機構に挿入してもよい。再生ポリマー流370の供給は、PREの長さ方向に沿ったどこで行ってもよいが、PREバレルの側部の循環ポートを用いることが最も好ましい。また、モノマーの添加に用いるリングと同じリングでこのような粘性材料が扱えるように注入弁を特別に設計し、この注入弁のどれから再生ポリマー流370を供給してもよく、他の内部または外部供給機構を用いて供給してもよい。3台のPREバレルを用いることは一例であり、所望の生成物によってバレルを追加または減らしてもよいことは、当業者であれば理解できるであろう。領域270、280、290内において常に温度管理し、例えば、主軸260の中央穴250と同様にバレル壁220、230、240中を流れる加熱/冷却媒体によって維持する。一実施形態では、ポリマー工程の温度は240℃より低い温度に維持される(例えば、アクリルポリマーとコポリマーの最低分解温度)。
液体モノマーの接着性ポリマーへの部分転化度は、一般に、Ynで表されて工程110では以下のように求められる。
Yn=1−(C′n/C′0)
ここで、Ynには0から1の間の数値も含まれる。例えば、Y1は以下のように求められ、
Y1=1−(C′1/C′0)
ここで、C′0は流れ200と370の混合流中の反応物(モノマー)の濃度であり、C′1は流れ300中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Y2は以下の様にして求められ、
Y2=1−(C′2/C′0)
ここで、C′2は流れ350中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Y3は以下の様にして求められ、
Y3=1−(C′3/C′0)
ここで、C′3は流れ400中の反応物(モノマー)の濃度である。
Yn=1−(C′n/C′0)
ここで、Ynには0から1の間の数値も含まれる。例えば、Y1は以下のように求められ、
Y1=1−(C′1/C′0)
ここで、C′0は流れ200と370の混合流中の反応物(モノマー)の濃度であり、C′1は流れ300中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Y2は以下の様にして求められ、
Y2=1−(C′2/C′0)
ここで、C′2は流れ350中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Y3は以下の様にして求められ、
Y3=1−(C′3/C′0)
ここで、C′3は流れ400中の反応物(モノマー)の濃度である。
流れ300は転化度Y1であり、流量は供給材料からの流れFと再利用した材料の流れRとの合計である。歯車ポンプ310は流れ300と静的ミキサー340への流れ320の間の流路に流体が流通するように連結される。ポンプ310の体積流量はFとRの合計であるが、これである必要はない。ループ反応装置内において調節可能な圧縮効果だけでなく、PREで発生するせん断による細断効果や反応物の混合に伴う他の体積変化にしたがってポンプ310の流量を変化させることは当業者であれば理解できるであろう。一般に、ポンプ310の目的は流量の変動を最小限にすることである。静的ミキサー340には、流れ320の加熱/冷却手段としてジャケット330および/または他の熱交換装置を設ける。
流れ350は転化度Y2であり、流量Pの流れ360と流量Rの流れ370に分流される。分流の量はポンプ410により制御し、ポンプ410は流れ400と420の間の流路に流体が流通するように連結される。ポンプ410の体積流量はPで表される。流れ360を静的ミキサー390に供給し、モノマーを更に反応させて転化度Y3にする。静的ミキサー390は加熱/冷却が可能であり(例えばジャケット380を備えている)、流量Pの転化度Y2の流れ360を流量Pの転化度Y3の流れ400に変える。
このようにして、ループ反応装置にPREを少なくとも一台組み入れることにより、既に述べた反応装置および工程がより多用途となる。ミキサーが静的ミキサーのみである場合は、混合はポリマー材料の直線速度に依存することになり、それ以上の速度では効果的に混合するために十分なせん断が必要となる。動的ミキサーがあれば、混合効率はポリマー材料の直線速度にあまり依存しない。したがって、ループ反応装置においてPREを選択的に用いることにより、反応装置機構全体の混合および熱交換の多様性が増加する。
図4には、代替の工程が120で表されており、アクリル系高分子製品の製造に用いることができる。モノマー500、510、520および液体開始剤または液状の固体開始剤530を、ポンプ540、550、560、および570によりそれぞれ供給してバルク供給流580を生成する(図4の記号F)。
一実施形態では、流れ580は流量Fであり、流量Rの再循環ポリマー流740と化合させてポリマー/モノマー/開始剤混合流590を生成する。ポリマー/モノマー/開始剤混合流590は、混合流590を完全に混合するように設計した静的ミキサー600に供給される。静的ミキサー600の排出は出力流620となる。必要に応じて、加熱および/または冷却を行うためのジャケット610を静的ミキサー600に取り付けてもよい。歯車ポンプ630を、静的ミキサー600の流れ620と静的ミキサー650への入口流640との間の流路に流体が流通するように連結する。静的ミキサー650は、流れ640を混合/反応させて流れ670を生成するように設計されている。歯車ポンプ37の体積流量はFおよびRの合計程度の値とするが、既に述べたように、流量を変化させてもよい。
液体モノマーの接着性ポリマーへの部分転化度は、一般に、Znで表されて工程120では以下のように求められる。
Zn=1−(C″n/C″0)
ここで、Znには0から1の間の数値も含まれる。例えば、Z1は以下のように求められ、
Z1=1−(C″1/C″0)
ここで、C″0は流れ590中の反応物(モノマー)の濃度であり、C″1は流れ670中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Z2は以下の様にして求められ、
Z2=1−(C″2/C″0)
ここで、C″2は流れ700中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Z3は以下の様にして求められる。
Z3=1−(C″3/C″0)
Zn=1−(C″n/C″0)
ここで、Znには0から1の間の数値も含まれる。例えば、Z1は以下のように求められ、
Z1=1−(C″1/C″0)
ここで、C″0は流れ590中の反応物(モノマー)の濃度であり、C″1は流れ670中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Z2は以下の様にして求められ、
Z2=1−(C″2/C″0)
ここで、C″2は流れ700中の反応物(モノマー)の濃度である。同様に、Z3は以下の様にして求められる。
Z3=1−(C″3/C″0)
ここで、C″3は流れ840中の反応物(モノマー)の濃度である。
前述と同様に、入口流640は静的ミキサー650において開始剤の活性化温度より高い温度に加熱される。これによりラジカル重合反応を開始させることができ、このとき、モノマーが少なくとも部分的にポリマーに転化される(例えば、流れ670は転化度Z1である)。流れ640、670の加熱/冷却手段を得るため、ジャケット660および/または他の熱交換装置を静的ミキサー650に設ける。
静的ミキサー650から排出される流れ670を静的ミキサー680へ供給する。静的ミキサー680では、モノマーをポリマーへ連続転化して流れ700が転化度Z2となるように十分な滞留時間がある。静的ミキサー680には、流れ670、700を加熱/冷却する手段を得るため、ジャケット690および/または他の熱交換装置が設けられている。流れ700は生成物流量Pの流れ750および流量Rの再循環される流れ710に分流される。反応装置のループ120から除去される生成物量はポンプ850により制御され、ポンプ850は流れ840と860の間の流路に流体が流通するように連結されている。ポンプ850の体積流量はPで表される。流れ710を静的ミキサー720に供給し、さらにモノマーの反応を進める。流量Rの流れ710を活性化温度よりも低い温度の流れ740に変え、また、転化度Z4とするため、静的ミキサー720では十分な滞留時間および冷却機能を設けている(ここで、C″4は流れ740中の反応物(モノマー)の濃度である)。
転化度Z2の流れ750を第1遊星ローラーバレル760に供給し、約25〜約240℃に加熱してラジカル反応工程を維持する。混合物を第2遊星ローラーバレル770および第3遊星ローラーバレル780に供給し、そこで予め設定した滞留時間においてポリマー流840中の最終の残留モノマー濃度を最小限にする。主軸820の中央穴830だけでなく、互いにかみ合う表面付近やバレル壁790、800、810中に加熱/冷却媒体を流すことにより、バレル760、770、780内の温度を精確に管理する。ポリマー工程では、温度はポリマー材料の分解温度よりも低い温度に維持される(例えば、アクリル酸ブチルの場合は240℃)。遊星ローラーバレル760、770、780により、流量Pの転化度Z2の流れ750が流量Pの転化度Z3の流れ840に変わる。
一実施形態によると、各工程10、110、120からの生成物流52、420、および860をスロットダイアプリケーター等の塗布器、他の塗布方法やドクタ方法により網状の材料に塗布してもよい。
ここで述べた工程10、110、120は様々な異なる用途の各種ポリマー材料の製造に用いることができることは、当業者であれば理解できるであろう。例えば、剥離剤、下塗塗料、接着剤、PSA、非PSA、封止剤、コーキング材、および建築用塗料等の製造に用いることが出来る。さらに、これらの接着剤や塗料を各種化学物質と重合させても良い。特に、化学物質としては、以下に限らないが、アクリルモノマー、ポリオール類、イソシアン酸塩、ビニル材料、エポキシ等が挙げられる。
一実施形態によると、工程10、110、120により製造したポリマー組成物を既知の方法である電子線や紫外エネルギーを用いて架橋してもよい。例えば、紫外エネルギーを用いたポリマー材料の架橋には、適切な紫外促進剤を添加するとよい(例えば、過酸化物のような光開始剤)。紫外促進剤または化学線開始剤を本発明の範囲を超えずに再循環管型反応装置の工程中において追加することが望ましい。
さらに粘性および/または接着性が必要な場合は、樹脂、油および/または他の添加物を反応物および/または最終生成物に添加すればよい。色または他の性質を変更する必要がある場合は、顔料、染料、充填剤、抗分解剤、および/または他の添加物を反応物および/または最終生成物に添加すればよい。
一般的な粘着力増加樹脂として、以下に限定されないが、一部または全体を水素化した木材、ガム、またはトールオイルロジン、エステル化した木材、ガム、またはトールオイルロジン、αおよびβピネン樹脂、およびポリテルペン樹脂が挙げられる。樹脂は固体状、液状で供給され、例えば、以下に限定されないが、溶液、分散液および/または溶融状態などで供給される。一般的な抗分解剤としては、抗酸化剤、紫外線吸収剤、および紫外線安定剤が挙げられる。一般的な架橋剤としては、過酸化物、イオン含有物、熱活性樹脂、イソシアネート、紫外線、および/または電子線活性硬化剤が挙げられる。一般的な着色剤としては、二酸化チタン、および他の各種金属顔料が挙げられる。溶剤の使用が望まれる場合は、一般的な溶剤としては酢酸エチルやn−酢酸ブチルのような液状のカルボン酸塩、アセトン、ジメチルケトンやシクロヘキサノン等のケトン類、ベンゼン、トルエン、およびキシレン等の芳香族炭化水素、沸点が約50〜150℃、特に約60〜100℃の石油留分、シクロヘキサン等の液体脂肪族化合物および環状脂肪族炭化水素、およびジオキサン、テトラヒドロフランやジ−t−ブチルエーテル等他の物質やこれらの混合物が挙げられる。特に、本発明におけるポリマー組成物に有用な溶剤として、酢酸エチル、シクロヘキサン、およびアセトンと石油エーテルとの混合物(例えば、沸点が約60〜約95℃のもの)が挙げられる。
スロットダイを用いてポリマー材料を網状の材料に塗布することは、例えば、ロール−オーバー−ロール、リバース−ロール、ナイフ−オーバー−ロール等の従来の塗布方法と比べて特に有利である。網状塗布速度では、従来の方法を用いると、粘度が40000cPs以下のポリマー材料に限定され、高固体ポリマー材料には適用しにくい。一方、スロットダイ塗布技術を用いれば、特に再循環管型反応装置による工程により製造した高固体ポリマー材料とともに用いる場合は、塗布速度が約1000m/分以上とすることができる。
開示した方法により製造したポリマーと網状の基材を一体化させて網状製品を作成するが、網状製品の所望の用途により基材を選び、どの既知の基材を用いてもよい。そして、基材には、適切な化学的または物理的表面処理を塗布面に施していても、施していなくても、また、適切な付着防止用の物理処理や塗料を塗布面の反対側に施していても、施していなくてもよい。代表例として、クレープまたは非クレープ剥離紙、ポリエチレン、ポリプロピレン、1軸または2軸延伸ポリプロピレンフィルム、ポリエステル、PVC、剥離紙または他のフィルム、また、発泡材料、織物、編物、およびポリオレフィンからなる網状の不織布などが挙げられる。
開示した重合方法は、特定の態様や実施形態を用いて説明したが、本明細書の内容に基づいた変形形態も可能である。開示した重合工程は、そのような変形形態についてもすべて含有する。特に、ここでは、接着剤の製造について実施形態において述べたが、本発明を一般的なポリマー材料の製造に適用可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。
Claims (20)
- 以下の工程a)〜f)
a)少なくとも1種のモノマーと少なくとも1種の活性化開始剤とを含有する供給原料を、部分的に重合した材料がその中を循環する再循環ループ反応装置に供給することにより反応混合物を生成する工程と、
b)前記反応混合物を少なくとも前記開始剤の活性化温度まで加熱することにより重合させて重合中間体を生成する工程と、
c)前記重合中間体の一部を前記ループ反応装置内で再循環させるとともに、前記重合中間体の残部を除去流に導く工程と、
d)前記中間体の再循環している分を前記開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却する工程と、
e)前記中間体の冷却した再循環している分を前記供給原料と混合する工程と、
f)前記重合中間体の残部をさらに反応させることにより重合生成物を生成する工程
とからなる方法。 - 前記重合生成物は、前記重合反応による生成物として少なくとも1種のアルキルアクリレートモノマーを含有する接着性組成物であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記反応ループには複数の静的ミキサーが設けられており、前記静的ミキサーの少なくとも一台に熱交換機能が備わっていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ループ反応装置の滞留時間またはモノマーは、1時間当たり約1〜約5再循環であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記重合中間体の再循環部分およびその残部の量は、前記除去流において設けられた歯車ポンプにより制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 以下の工程a)〜g)
a)部分的に重合した材料がその中を循環する再循環ループ反応装置に遊星ローラー押出機を設置し、少なくとも1種のモノマーと少なくとも1種の活性化開始剤とを含有する供給原料を前記遊星ローラー押出機に供給することにより反応混合物を生成する工程と、
b)前記工程a)からの前記反応混合物を少なくとも前記開始剤の活性化温度まで加熱することにより、前記供給原料中の少なくとも1種のモノマーを前記部分重合材料と重合させて部分的に重合した中間体を生成する工程と、
c)前記工程b)からの前記部分重合中間体の一部をループ反応装置内で再循環させる工程と、
d)工程c)の間、前記部分重合中間体の残部を前記ループ反応装置から除去される流れへ導く工程と、
e)前記工程c)からの前記部分重合中間体の再循環している分を前記開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却する工程と、
f)前記工程c)からの前記部分重合中間体の一部を、さらに追加供給した供給原料と混合し、前記モノマーと前記部分重合中間体とをさらに重合させる工程と、
g)前記重合中間体の残部をさらに反応させることにより重合生成物を生成する工程
とからなる方法。 - 前記重合生成物は、前記重合反応による生成物として少なくとも1種のアルキルアクリレートモノマを含有する接着性組成物であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記遊星ローラー押出機には、複数の遊星軸に囲まれ、前記遊星軸と互いにかみ合う主軸を備えた複数の調合空間が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記再循環部分および除去される部分の量は、前記除去流において設けられた歯車ポンプにより制御されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 以下の工程a)〜f)
a)少なくとも1種のモノマーと少なくとも1種の活性化開始剤とを含有する供給原料を、部分的に重合した材料がその中を循環するループ反応装置に供給することにより重合性混合物を生成する工程と、
b)反応時に、前記工程a)からの前記混合物を少なくとも前記開始剤の活性化温度まで加熱することにより前記モノマーと前記部分重合材料とを重合して重合中間体を生成する工程と、
c)前記工程b)からの前記重合中間体の一部をループ反応装置内で再循環させるとともに、前記重合中間体を所定の流れにおいて前記開始剤の活性化温度よりも低い温度に冷却する工程と、
d)前記工程c)からの冷却された循環している材料をさらに追加供給した供給原料と混合することにより、前記モノマーと前記重合中間体とをさらに重合させる工程と、
e)前記さらに重合された中間体の残部を前記ループ反応装置から除去される流れへと導く工程と、
f)遊星ローラー押出機において前記重合中間体の残部をさらに反応させることにより、未反応物(モノマー)を低減して重合生成物を生成する工程
とからなる方法。 - 前記重合生成物は、前記重合反応による生成物として少なくとも1種のアルキルアクリレートモノマーを含有する接着性組成物であることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記遊星ローラー押出機には、複数の遊星軸に囲まれ、前記遊星軸と互いにかみ合う主軸を備えた複数の調合空間が設けられていることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記再循環部分および前記残部の量は、前記除去流において設けられた歯車ポンプにより制御されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 供給原料を含む重合反応装置において、
少なくとも1種のモノマーおよび少なくとも1種の開始剤の供給路と、
反応ループと、前記反応ループには重合中間体が再循環しており、前記供給原料と前記重合中間体の流れとを混合するためのミキサーが少なくとも一台設けられており、
前記反応装置から重合生成物を除去するための除去流とが備えられていることを特徴とする重合反応装置。 - 前記ミキサーのうち、少なくとも一台は静的ミキサーであることを特徴とする請求項14に記載の反応装置。
- 前記ミキサーのうち、少なくとも一台は動的ミキサーであることを特徴とする請求項14に記載の反応装置。
- 前記ミキサーのうち、少なくとも一台は遊星ローラー押出機であることを特徴とする請求項14に記載の反応装置。
- 前記反応ループから前記中間体を除去する量と前記反応ループを再循環する前記中間体の量とを調節するため、ポンプが前記除去流にさらに備えられていることを特徴とする請求項14に記載の反応装置。
- 前記中間体をさらに反応させてポリマー生成物を生成するため、動的ミキサーが前記除去流にさらに備えられていることを特徴とする請求項16に記載の反応装置。
- 前記中間体をさらに反応させてポリマー生成物を生成するため、遊星ローラー押出機が前記除去流にさらに備えられていることを特徴とする請求項19に記載の反応装置。
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