JP2011178905A - 攪拌装置および攪拌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モノマー相／水相界面にせん断力を加え、モノマーを細分化することにより、効率的にモノマーを水に分散させることができる攪拌装置および攪拌方法を提供する。
【解決手段】 モノマーｍと水ｗとが供給される有底筒状の反応槽２と、この反応槽２の中心部に駆動装置によって回転自在に設けられた回転軸３と、この回転軸３の下端部３ａに設けられたボトムパドル４およびボトムパドル４の両端部から各々反応槽２の内壁に沿って立設された一対のサイドパドル５を有し、反応槽２内において、モノマーｍおよびｗ水の上下方向の攪拌流を形成するＵ字状の攪拌翼６とを備えた攪拌装置１において、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７に配置され、回転軸３により回転駆動されるミドルパドル８を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、懸濁重合に用いられる攪拌装置および攪拌方法に関するものである。

通常、懸濁重合は、モノマー（油）と分散剤、安定化剤を含んだ水を反応槽に供給し、攪拌により混合して、モノマー／水エマルジョンを形成した後に、重合開始温度まで昇温して重合を行うものである。

従来、懸濁重合の攪拌装置には、放射流を作るタービン翼、軸流を作る傾斜パドル翼などが用いられてきた。これらは、反応槽内に乱流を起こしてモノマー相を水相に混合分散し、モノマー／水エマルジョンを形成させる方式である。しかし、これらの攪拌翼は懸濁重合におけるモノマー相の均一分散に必要となるせん断流と循環流のバランスが上手く取れないため、淀みや過分散が起こりやすい。

この結果、塊状重合物或いは小径の樹脂粒子が生成してしまう。また、反応槽下部に設置した攪拌翼で起こした上昇流は、モノマー相／水相界面によって遮られてしまう。このため、高攪拌速度により攪拌し、モノマー相／水相界面を破る必要がある。しかし、攪拌速度が高速だと製品樹脂粒子径が小さくなってしまうという問題がある。

そこで、大径の製品樹脂粒子径を所望する場合には、高速で攪拌を行い、モノマー／水エマルジョンを形成した後、攪拌速度を下げて油滴の合一を行う等の手法が取られていた。

ところが、ビニルピリジン／ジビニルベンゼンなどの系は、油滴の合一が起こりにくく、長時間の処理が必要となるため、一部のモノマー相が水相に溶け込んで目標の液滴径を持つ均一分散が行えないという問題があった。

さらに、高速で攪拌を行うために、変速機などが必要であるとともに、高出力の攪拌機モータが必要であるため、装置が大型化するとともにコストが嵩むという問題もある。また、攪拌混合の効果を得るために、大上昇流を形成すると液面の盛り上がりが起こり、渦流れが発生して気泡が巻き込まれる。これにより、気泡が核となり、殻粒子（空洞粒子）が生成する問題もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、モノマー相／水相界面にせん断力を加え、モノマーを細分化することにより、効率的にモノマーを水に分散させることができる攪拌装置および攪拌方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の攪拌装置は、モノマーと水とが供給される有底筒状の反応槽と、この反応槽の中心部に駆動装置によって回転自在に設けられた回転軸と、この回転軸の下端部に設けられたボトムパドルおよび該ボトムパドルの両端部から各々上記反応槽の内壁に沿って立設された一対のサイドパドルを有し、上記反応槽内において、上記モノマーおよび水の上下方向の攪拌流を形成するＵ字状の攪拌翼とを備えた攪拌装置において、上記モノマー相と水相との界面に配置され、上記回転軸により回転駆動されるミドルパドルを設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の攪拌装置において、上記ミドルパドルは、鉛直方向の高さ位置が調整可能に設けられていることを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の発明は、請求項1または２に記載の攪拌装置において、上記サイドパドルの各々の上端部に、上記回転軸側に延出するボルテックスブレーカが一体的に設けられていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の攪拌装置において、上記ミドルパドルは、鉛直方向の幅が上記ボトムパドルの鉛直方向の幅の２０〜６０％に形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された攪拌装置を用いた攪拌方法において、上記水相を上昇流により上昇させるとともに、上記モノマー相と水相との界面にせん断力を加えて、上記モノマーを細分化させつつ上記水相に分散させ、かつ気液界面で生成される渦による気泡の巻き込みを防止することを特徴とするものである。

請求項１〜５に記載の本発明によれば、有底筒状の反応槽の中心部に設けられた回転軸の下端部に、ボトムパドルおよび該ボトムパドルの両端部から各々上記反応槽の内壁に沿って立設された一対のサイドパドルからなるＵ字状の攪拌翼を設けるとともに、上記モノマー相と水相との界面に配置され、上記回転軸により回転駆動されるミドルパドルを設けているため、上記モノマー相と水相との界面にせん断力を加わりせん断流を形成し、このせん断流によって上記モノマーを細分化して、上記水相に均一に分散させることができる。これにより、上記モノマーの淀みによる塊状重合物の生成を抑えるとともに、過分散による樹脂粒径の過小生成を抑えることができ、製品樹脂の歩留まりを高めることができる。

また、上記回転軸と共に回転自在に設けられた上記ミドルパドルにより、上記モノマー相と水相との界面に、効率的にせん断力を与えることができるため、高攪拌速度により上記モノマー相と水相との界面を破壊する必要がない。この結果、大型の攪拌機モータや変速機を用いることがなく、電力量やコストを抑えることができる。

請求項２に記載の本発明によれば、上記ミドルパドルは、鉛直方向の高さ位置が調整可能に設けられているため、上記モノマーと水との比率に合わせ、上記モノマー相と水相との界面に、上記ミドルパドルを簡便に配置することができる。これにより、上記モノマーと水との比率が変わった場合でも、迅速に対応することができ、確実に上記モノマー相と水相との界面にせん断力を加えることができる。

請求項３に記載の本発明によれば、上記サイドパドルの各々の上端部に、上記回転軸側に延出するボルテックスブレーカが一体的に設けられているため、上記攪拌翼の回転によって、上記モノマー及び水の上下方向の攪拌流が形成されて起こる気液界面の盛り上がりを抑えることができる。この結果、気液界面の盛り上がりによって起こる渦流れを抑えて、気泡の巻き込みを防止し、この気泡が核となる殻粒子（空洞粒子）の生成を防ぐことができる。

請求項４に記載の本発明によれば、上記ミドルパドルの鉛直方向の幅が、上記ボトムパドルの鉛直方向の幅の２０〜６０％に形成されているため、上記モノマーおよび水の上下方向の攪拌流への阻害を最小限に抑えることができる。これにより、上記反応槽全体の流れの均一化を図ることができる。

請求項５に記載の本発明によれば、請求項１〜４のいずれかに記載された攪拌装置を用いることにより、上記水相を上昇流により上昇させるとともに、上記モノマー相と水相との界面にせん断力を加えて、上記モノマーを細分化させつつ上記水相に分散させ、かつ気液界面で生成される渦による気泡の巻き込みを防止するため、上記モノマーの均一分散に必要となるせん断流と循環流のバランスを得ることができ、歩留まりの高いモノマー／水エマルジョンを形成することができる。

本発明の攪拌装置の一実施形態の概略を示す断面図である。 本発明の攪拌装置の一実施形態の概略を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、モノマー相と水相との界面に対応して、ミドルパドルの位置の調整を示した説明図である。 本発明の攪拌装置およびその他の攪拌装置における粒径分布図である。

図１〜図３は、本発明の攪拌装置の一実施形態を示すものである。
図１に示すように、本発明の攪拌装置１は、モノマーｍと水ｗとが供給される有底筒状の反応槽２と、この反応槽２の中心部に駆動装置により、回転自在に設けられた回転軸３と、この回転軸の下端部に設けられたボトムパドル４、および該ボトムパドル４の両端部から各々反応槽２の内壁に沿って立設された一対のサイドパドル５を有したＵ字状の攪拌翼６とを備えている。

ここで、Ｕ字状の攪拌翼６は、平板状のステンレス鋼等によって形成されている。そして、この攪拌翼６は、ボトムパドル４の水平方向の中心部において、ネジによって回転軸３の下端部に一体的に取り付けられている。このボトムパドル４は、反応槽２の底部側が円弧状に形成されいる。また、ボトムパドル４の両端部には、各々反応槽２の内壁と平行に立設されている一対のサイドパドル５が一体に形成されている。このサイドパドル５は、各々の水平方向の幅寸法が、ボトムパドル４の鉛直方向の幅寸法よりも小さく形成されている。これにより、モノマーｍおよび水ｗの上下方向の攪拌流が、スムーズに流れて反応槽２内を循環する。

そして、サイドパドル５間に、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７に配置されるミドルパドル８が横架されている。このミドルパドル８は、鉛直方向の幅寸法が、ボトムパドル４の鉛直方向の幅寸法よりも小さく形成され、ボトムパドル４の幅寸法の２０〜６０％の割合に形成されている。また、ミドルパドル８は、各々のサイドパドル５の鉛直方向の中心部近傍に穿設されたスリット５ｂに、ネジによって鉛直方向にスライド可能に取り付けられているとともに、ミドルパドル８の水平方向の中心部と回転軸３とが、ネジによって係着可能に設けられている。

さらに、サイドパドル５の上端部５ａには、回転軸３側に向けて直角に延出する平板状のボルテックスブレーカ９が一体的に設けられている。このボルテックスブレーカ９は、各々の板面が気液界面１１に対して垂直に配設されているとともに、ボルテックスブレーカ９の各々が間隔を置いて、回転軸３を挟んで対峙して配置されている。

また、有底筒状の反応槽２は、底部が円弧状に形成されている。そして、反応槽２の内壁には、この内壁面から突出するとともに、鉛直方向に延在する邪魔板１０が設けられている。この邪魔板１０は、図２に示すように、反応槽２の円周方向に等間隔で４箇所設けられている。

以上の構成による本実施形態の攪拌装置を用いて、モノマーｍと水ｗを攪拌し、モノマー／水エマルジョンを形成するには、まず有底筒状の反応槽２に、モノマーｍと水ｗを供給する。ここで、水ｗよりも比重の小さいモノマーｍが、モノマーｍ相として反応槽２の上方に位置し、水ｗが反応槽２の下方に、水ｗ相として位置して、それぞれが分離した状態になるため、モノマーｍ相と水ｗ相との界面に、攪拌翼６のサイドパドル５間に、ネジで固定され横架されているミドルパドル８の位置を調整する。

ここで、反応槽２に供給されるモノマーｍ相と水ｗ相とによって形成される界面７に、ミドルパドル８の位置を調整し配置する方法を図３によって説明する。図３（ａ）には、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７の位置にミドルパドル８が配置されている。これを図３（ａ）とは異なる比率のモノマーｍと水ｗとを供給することによって、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７の位置が、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示す位置になった場合には、各々のサイドパドル５のスリット５ｂに固着されているネジを緩めるとともに、回転軸３とミドルパドル８の中央部とを固着しているネジを緩め、ミドルパドル８を鉛直方法にスライドさせて、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示したモノマーｍ相と水ｗ相との界面７に配置し、緩めた３箇所のネジを締めて固定する。

次いで、駆動装置を稼働させて、回転軸３を回転させる。そして、回転軸３の回転とともに、この回転軸３に一体的に設けられた攪拌翼６が、反応槽２内で回転する。この攪拌翼６の回転により、図１で示すように、ボトムパドル４により吐出された水ｗ相は、反応槽２の壁面に形成された邪魔板１０を上昇し、モノマーｍ相と水ｗ相の界面７に達する。このとき、モノマーｍ相と水ｗ相の界面７は、サイドパドル５のスリット５ｂにより高さ調整されたミドルパドル８によって乱され、モノマーｍが細分化されつつ水ｗ相に分散されるため、モノマーｍ／水ｗエマルジョンが生成される。

そして、生成されたモノマーｍ／水ｗエマルジョンは、上向流により気液界面１１近傍まで達し、反応槽２の中心部近傍から下降して、反応槽２全体を循環する。この際に、ボトムパドル４の鉛直方向の幅寸法よりも小さく形成されたサイドパドル５の水平方向の幅寸法により、上記上向流を阻害しない程度の緩やかな水平方向の流れを形成し、反応槽２全体の流れの均一化を図るとともに、下降流の促進を行う。

さらに、ボルテックスブレーカ９によって、気液界面１１近傍に円周方向の流れが形成され、上記上向流により形成される液の盛り上がりを抑える。これにより、渦流れの発生による気泡の巻き込みを防止して、この気泡が核となる殻粒子の生成を抑制する。

上述の実施形態による攪拌装置および攪拌方法によれば、有底筒状の反応槽２の中心部に設けられた回転軸３の下端部３ａに、ボトムパドル４およびボトムパドル４の両端部から各々反応槽２の内壁に沿って立設された一対のサイドパドル５からなるＵ字状の攪拌翼６を設けているとともに、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７に配置され、回転軸３により回転駆動されるミドルパドル８を設けているため、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７にせん断力が加わりせん断流を形成し、このせん断流によりモノマーｍを細分化して、水ｗ相に均一に分散させることができる。これにより、モノマーｍの淀みによる塊状重合物の生成を抑えるとともに、過分散による樹脂粒径の過小生成を抑えることができ、製品樹脂の歩留まりを高めることができる。

また、回転軸３と共に回転自在に設けられたミドルパドル８により、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７に、効率的にせん断力を加えることができるため、高攪拌速度によりモノマーｍ相と水ｗ相との界面７を破壊する必要がない。この結果、大型の攪拌機モータや変速機を用いることがなく、電力量やコストを抑えることができる。

そして、ミドルパドル８は、各々のサイドパドル５に形成されたスリット５ｂによって、鉛直方向の高さ位置が調整可能に設けられているため、モノマーｍと水ｗとの比率に合わせ、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７に、ミドルパドル８を簡便に配置することができる。これにより、モノマーｍと水ｗとの比率が変わった場合でも、迅速に対応することができ、確実にモノマーｍ相と水ｗ相との界面７にせん断力を加えることができる。

さらに、各々のサイドパドル５の上端部５ａに、回転軸３側に延出するボルテックスブレーカ９が一体的に設けられているため、攪拌翼６の回転によって、モノマーｍ及び水ｗの上下方向の攪拌流の形成による気液界面１１の盛り上がりを抑えることができる。この結果、気液界面１１の盛り上がりによって起こる渦流れを抑えて、気泡の巻き込みを防止し、この気泡が核となる殻粒子の生成を防ぐことができる。

また、ミドルパドル８の鉛直方向の幅が、ボトムパドル４の鉛直方向の幅の２０〜６０％に形成されているため、モノマーｍおよび水ｗの上下方向の攪拌流への阻害を最小限に抑えることができる。これにより、反応槽２全体の流れの均一化を図ることができる。

そして、本発明の攪拌装置を用いることにより、水ｗ相が上昇流により上昇するとともに、モノマーｍ相と水ｗ相との界面７にせん断力が加わり、モノマーｍが細分化されて水ｗ相に分散し、かつ気液界面１１で生成される渦による気泡の巻き込みが防止され、均一循環混合が行われるため、モノマーｍの均一分散に必要となるせん断流と循環流のバランスを得ることができ、均一なモノマー／水エマルジョンを形成することができる。

＜実験例＞
ここで、発明者が行った実験により得られた効果を説明する。
実験は、本発明の攪拌装置１に用いられた攪拌翼６（翼径１１５ｍｍ）と、従来懸濁重合用の攪拌翼であるディスクタービン翼（翼径１２０ｍｍ、６枚）、およびゲート＆アンカー型翼（翼径１３０ｍｍ）を用いて、直径２３０ｍｍ、液深２７０ｍｍの反応槽２によって、ビニルピリジン／ジビニルベンゼン共重合体の合成を行った。今回の実験では、攪拌速度を分散可能最低速度とし、重合が終了するまで同じ速度を維持した。

上記の実験により、本発明の攪拌装置１に用いられた攪拌翼６、ディスクタービン翼、ゲート＆アンカー型翼の各攪拌翼毎の分散可能最低攪拌速度と、この速度において得られた樹脂の平均粒径、塊状重合物及び殻粒子の割合を求めたものが表１となる。また、粒径分布を図４に示す。

この実験により、本発明の攪拌装置１に用いられた攪拌翼６は、低攪拌速度での重合が行えるとともに、特別な操作無しに大粒子径の製品を容易に得ることができる。また、淀みによる塊状重合物を完全になくすことができ、さらに渦流れによって起こる気泡の巻き込みによる殻粒子の生成を低減することができる。

なお、上記実施の形態において、サイドパドルにスリットを設けて、ミドルパドルを鉛直方向に調整可能にする場合のみ説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、回転軸３のみに摺動可能に固着して、回転軸３の鉛直方向にスライドさせても対応可能である。

モノマーの懸濁重合などに利用することができる。

１ 攪拌装置
２ 反応槽
３ 回転軸
３ａ 下端部
４ ボトムパドル
５ サイドパドル
５ａ 上端部
６ 攪拌翼
７ 界面
８ ミドルパドル
９ ボルテックスブレーカ
１０ 邪魔板
１１ 気液界面
ｍ モノマー
ｗ 水

Claims (5)

1. モノマーと水とが供給される有底筒状の反応槽と、この反応槽の中心部に駆動装置によって回転自在に設けられた回転軸と、この回転軸の下端部に設けられたボトムパドルおよび該ボトムパドルの両端部から各々上記反応槽の内壁に沿って立設された一対のサイドパドルを有し、上記反応槽内において、上記モノマーおよび水の上下方向の攪拌流を形成するＵ字状の攪拌翼とを備えた攪拌装置において、
   上記モノマー相と水相との界面に配置され、上記回転軸により回転駆動されるミドルパドルを設けたことを特徴とする攪拌装置。
2. 上記ミドルパドルは、鉛直方向の高さ位置が調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
3. 上記サイドパドルの各々の上端部に、上記回転軸側に延出するボルテックスブレーカが一体的に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の攪拌装置。
4. 上記ミドルパドルは、鉛直方向の幅が上記ボトムパドルの鉛直方向の幅の２０〜６０％に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の攪拌装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載された攪拌装置によって、上記水相を上昇流により上昇させるとともに、上記モノマー相と水相との界面にせん断力を加えて、上記モノマーを細分化させつつ上記水相に分散させ、かつ気液界面で生成される渦による気泡の巻き込みを防止することを特徴とする攪拌方法。

Images