JP2020143277A - ポリマーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、例えばジクロロシランなどの、2つの反応点を有する求電子剤をビルディングブロックとして、異なるリビングポリマーを連結させてブロックポリマーを製造する場合には、まず、あるリビングポリマーに対して過剰量の前記求電子剤を加え、求電子剤が付加したポリマーを一回単離した後に、別のリビングポリマーと反応させなければならず、手間がかかるという問題があった。
マイクロリアクターを用いた反応では、反応溶液の精確な流れの制御、温度制御、迅速な混合が可能となると考えられており、従来実施されているバッチ方式の反応と比較して転化率や選択制の向上が期待され、高効率な生産方法として注目されている。ドイツのIMM研究所やFZK研究所は、混合や熱交換、触媒反応、電気化学反応のためのマイクロリアクターを開発しており、これらのリアクター部品を使用したミニプラント建設を提案している。
したがって、分子量分布の狭いポリマーを合成する新規な技術、例えば、前記マイクロリアクターを用いて製造する方法により、特別な冷却装置などを用いることなく、効率よく高い転化率でポリマーを製造可能な方法、及び、連続的な工程でブロックポリマーを製造可能な方法が求められていた。
フロー式のリアクターを用いたポリマーの製造方法であって、
前記フロー式のリアクターが、
第1の流通路と、
第2の流通路と、
前記第1の流通路と前記第2の流通路との合流部に設けられた第1の混合手段と、
前記第1の混合手段と接続し、前記第1の混合手段の下流側に配された第3の流通路と、
第4の流通路と、
前記第3の流通路と前記第4の流通路との合流部に設けられた第2の混合手段と、
前記第2の混合手段と接続し、前記第2の混合手段の下流側に配された第5の流通路と、
を有し、
アニオン重合開始剤及び炭化水素溶媒を含有する開始剤溶液を前記第1の流通路内に流通させ、かつ極性溶媒を前記第2の流通路内に流通させ、前記第1の混合手段で前記開始剤溶液及び前記極性溶媒を混合して混合液を得る混合工程と、
前記混合液を前記第3の流通路内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を前記第4の流通路内に流通させ、前記第2の混合手段で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、前記第5の流通路内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合しポリマーを得る重合工程と、
を含むことを特徴とするポリマーの製造方法。
本発明のポリマーの製造方法は、フロー式のリアクターを用いたポリマーの製造方法である。
前記ポリマーの製造方法は、混合工程と、重合工程とを少なくとも含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
前記ポリマーの製造方法に用いられる前記フロー式のリアクターは、第1の流通路と、第2の流通路と、第3の流通路と、第1の混合手段と、第4の流通路と、第2の混合手段と、第5の流通路とを少なくとも有し、更に必要に応じて、送液手段、温度調節手段などのその他の手段を有する。
なお、前記フロー式のリアクターを、フローマイクロリアクターと称することがある。
極性溶媒は、ポリマーの溶解性が高いことや、重合速度を早くできることから、その点において希釈溶媒として用いることが好ましい反面、開始剤を失活させやすい。ところが、フローマイクロリアクター内で開始剤に極性溶媒を接触させても、バッチ式の場合と比べて、開始剤の失活を抑えることができる。
そのため、フローマイクロリアクターを用いたポリマーの製造において極性溶媒を用いても、バッチ式の場合よりも開始剤の失活を抑えることができる。
そして、極性溶媒を希釈溶媒として用いると、最終的なポリマー濃度が下がることにより、高分子量のポリマーが溶けやすくなり、連続運転の安定化につながる。更には、重合速度が早くなることで、高分子量かつ狭い分子量分布のポリマーの製造も可能となる。
前記混合工程としては、開始剤溶液を前記第1の流通路内に流通させ、かつ極性溶媒を前記第2の流通路内に流通させ、前記第1の混合手段で前記開始剤溶液及び前記極性溶媒を混合して混合液を得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記開始剤溶液は、アニオン重合開始剤及び炭化水素溶媒を少なくとも含有する。
前記アニオン重合開始剤としては、アニオン重合性モノマーのアニオン重合を開始できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、有機リチウムなどが挙げられる。
前記有機リチウムとしては、例えば、モノ有機リチウム、多官能有機リチウムなどが挙げられる。
前記有機リチウムとしては、例えば、メチルリチウム、エチルリチウム、プロピルリチウム、ブチルリチウム(n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、イソブチルリチウム、t−ブチルリチウムなど)、ペンチルリチウム、ヘキシルリチウム等のアルキルリチウム;メトキシメチルリチウム、エトキシメチルリチウム等のアルコキシアルキルリチウム;α−メチルスチリルリチウム;1,1−ジフェニルヘキシルリチウム、1,1−ジフェニル−3−メチルペントリルリチウム、3−メチル−1,1−ジフェニルペンチルリチウム等のジアリールアルキルリチウム;ビニルリチウム、アリルリチウム、プロペニルリチウム、ブテニルリチウム等のアルケニルリチウム;エチニルリチウム、ブチニルリチウム、ペンチニルリチウム、ヘキシニルリチウム等のアルキニルリチウム;ベンジルリチウム、フェニルエチルリチウム等のアラルキルリチウム;フェニルリチウム、ナフチルリチウム等のアリールリチウム;2−チエニルリチウム、4−ピリジルリチウム、2−キノリルリチウム等のヘテロ環リチウム;トリ(n−ブチル)マグネシウムリチウム、トリメチルマグネシウムリチウム等のアルキルリチウムマグネシウム錯体などが挙げられる。
これらの中でも、重合反応を効率よく進行させることができることから、アルキルリチウムが好ましく、ブチルリチウムがより好ましい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記炭化水素溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ペンタン、ヘキサン、オクタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、デカリン、テトラリンなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記極性溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記極性溶媒としては、例えば、誘電率が5.0以上の溶媒などが挙げられる。
前記極性溶媒としては、エーテル溶媒が好ましい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記重合工程としては、前記混合液を前記第3の流通路内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を前記第4の流通路内に流通させ、前記第2の混合手段で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、前記第5の流通路内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合しポリマーを得る工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記モノマー含有液は、前記アニオン重合性モノマーを少なくとも含有し、好ましくは溶媒を含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有する。
前記アニオン重合性モノマーとしては、例えば、ビニル基含有化合物が挙げられる。
前記置換基を有していてもよいアルキルオキシカルボニル基におけるアルキル基としては、例えば、炭素数1〜10のアルキル基などが挙げられる。
前記置換基を有していてもよいアルキルオキシカルボニル基における置換基としては、例えば、ハロゲン原子、アミノ基、1級アミノ基、2級アミノ基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数1〜6のアルキルオキシカルボニル基などが挙げられる。
前記芳香族系ビニル単量体としては、例えば、スチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−メトキシスチレン、p−フェニルスチレン、p−クロロスチレン、p−エチルスチレン、p−n−ブチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、p−n−ヘキシルスチレン、p−n−オクチルスチレン、p−n−ノニルスチレン、p−n−デシルスチレン、p−n−ドデシルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、3,4−ジクロロスチレンなどが挙げられる。
前記(メタ)アクリル酸エステル系単量体としては、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸−2−エチルヘキシル、アクリル酸シクロヘキシル、アクリル酸フェニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸−2−エチルヘキシル、β−ヒドロキシアクリル酸エチル、γ−アミノアクリル酸プロピル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジエチルアミノエチルなどが挙げられる。
前記溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、極性溶媒、炭化水素溶媒などが挙げられる。
前記エーテル溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、4−ジオキサン、1,2−ジメトシキエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジグライムなどが挙げられる。
これらの中でも、ポリマーの重合速度が速く、かつポリマーの溶解性に優れる点で、エーテル溶媒が好ましく、テトラヒドロフラン(THF)がより好ましい。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
また、前記ポリマーの製造方法によれば、長時間安定してポリマーを製造することができる。なお、長時間としては、例えば、10時間の連続運転などが挙げられる。また、安定とは、流通路内の圧力変化が小さいことなどが挙げられる。
以下、前記第1の流通路、前記第2の流通路、前記第3の流通路、及び前記第4の流通路について説明する。これらの流通路を総じて「流通路」と称することがある。
前記流通路は、通常、少なくとも1つの前記混合手段と接続される。
また、前記流通路は、例えば、前記混合手段によって混合された2種以上の物質の混合物、又は反応生成物を、次の混合手段に供給する際に使用される。なお、この際、前記流通路内では反応が継続して起きていてもよい。
以下、前記第1の混合手段、及び前記第2の混合手段について説明する。これらの混合手段を総じて「混合手段」と称することがある。
前記混合手段としては、2種以上の液体を混合可能なかぎり、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、管継手型のマイクロミキサーなどが挙げられる。
前記管継手型のマイクロミキサーは、内部に形成された流路を備え、必要に応じて前記内部に形成された流路と、前記流通路とを接続する接続部材を備える。前記接続部材における接続方式としては、特に制限はなく、公知の接続方式の中から目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ねじ込み式、ユニオン式、突合わせ溶接式、差込み溶接式、ソケット溶接式、フランジ式、食込み式、フレア式、メカニカル式などが挙げられる。
また、前記混合手段の流路において、乱流による混合(動的混合)を行う場合には、流量や流路の形状(接液部分の3次元形状や流路の屈曲などの形状、壁面の粗さ、など)を調整することによって、層流から乱流へと変化させることができる。前記乱流による混合は、前記層流による混合と比べて、混合効率がよく混合速度が速いという利点を有する。
一方で、前記流路の内径が小さ過ぎると、液体を流す時の圧力損失が増加するとともに、送液に使用するポンプとして特別な高耐圧のものが必要となるため、製造コストが高くなることがある。また、送液流量が制限されることにより、前記マイクロミキサーの構造も制限されることがある。
前記内径が50μm未満であると、圧力損失が増大することがある。前記内径が4mmを超えると、単位体積当たりの表面積が小さくなり、その結果、迅速な混合や反応熱の除熱が困難になることがある。一方、前記内径が前記特に好ましい範囲であると、より迅速に混合でき、より効率的に反応熱を除熱できる点で有利である。
前記その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、送液手段、温度調節手段などが挙げられる。
前記送液手段としては、各種液体を、前記フローマイクロリアクターの前記流通路に供給できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポンプなどが挙げられる。
前記温度調節手段としては、前記フローマイクロリアクターの前記混合手段、及び前記流通路の温度を調節できる限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
図1に示すフローマイクロリアクターは、2つの混合手段と、5つの流通路とを備える。
流通路P1は、混合手段M1に接続されている。
流通路P2は、混合手段M1に接続されている。
混合手段M1は、流通路P1と流通路P2との合流部に設けられている。
流通路R1は、混合手段M1の下流側に配されている。
流通路P3は、混合手段M2に接続されている。
混合手段M2は、流通路R1と流通路P3との合流部に設けられている。
流通路R2は、混合手段M2の下流側に配されている。
なお、図中のMFは流量計を意味し、PIは圧力計を意味する。
図1に示すフローマイクロリアクターにおいては、例えば、図中の破線内が冷却される。
得られた前記混合液を流通路R1(第3の流通路)内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を流通路P3(第4の流通路)内に流通させ、混合手段M2(第2の混合手段)で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、第5の流通路(流通路R2)内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合し、ポリマーを得る。
得られたポリマーは、リビングポリマーであり、活性な成長末端を有しているため、例えば、ブロックコポリマーなどの合成に続けて用いることができる。
図2に示すフローマイクロリアクターは、3つの混合手段と、7つの流通路とを備える。
流通路P1は、混合手段M1に接続されている。
流通路P2は、混合手段M1に接続されている。
混合手段M1は、流通路P1と流通路P2との合流部に設けられている。
流通路P3は、混合手段M2に接続されている。
流通路R1は、混合手段M1の下流側に配されている。
混合手段M2は、流通路R1と流通路P3との合流部に設けられている。
流通路R2は、混合手段M2の下流側に配されている。
流通路P4は、混合手段M3に接続されている。
混合手段M3は、流通路R2と流通路P4との合流部に設けられている。
流通路R3は、混合手段M3の下流側に配されている。
なお、図中のMFは流量計であり、PIは圧力計である。
図2に示すフローマイクロリアクター例えば、図中の破線内が冷却される。
得られた前記混合液を流通路R1(第3の流通路)内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を流通路P3(第4の流通路)内に流通させ、混合手段M2(第2の混合手段)で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、第5の流通路(流通路R2)内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合しポリマーを含むポリマー溶液を得る。
得られたポリマーは、リビングポリマーである。そのため、活性な末端を停止させるために、停止剤(例えば、メタノール)を含有する溶液を流通路P4内に流通させ、混合手段M3で前記ポリマー溶液と混合して、停止反応を行う。
数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定により決定した。
具体的には、Shodex LF−804 カラム(昭和電工株式会社製)を2本備えた、Shodex GPC−101(昭和電工株式会社製)を用い、40℃、展開溶媒としてテトラヒドロフランを用い、RI(Refractive Index、示差屈折率)検出器により測定した。
キャリブレーションは、市販のスチレン重合体(TSK社製、standard polystyrene TOSOHの A−500(TS−505) Mw=500、A1000(TS−501) Mw=1,050、A−2500(TS−502) Mw=2,500、A−5000(TS−503) Mw=5,870、F−1(TS−203) Mw=9,830、F−2(TS−504) Mw=17,100、F−4(TS−202) Mw=37,200、F−10(TS−144) Mw=98,900、F−20(TS−140) Mw=189,000、F−40(TS−85) Mw=354,000、F−80(TS−201) Mw=707,000、F128(TS−206) Mw=1,110,000)を標準サンプルとして用いて行った。
THF(テトラヒドロフラン)については、関東化学株式会社から乾燥溶媒として購入し、そのまま使用した。
ヘキサンについては、富士フイルム和光純薬株式会社から購入し、さらに精製することなく使用した。
スチレンについては、東京化成工業株式会社から購入し、使用前に蒸留した。
n−ブチルリチウム(n−BuLi)については、関東化学株式会社からn−ヘキサン溶液(1.6M)として購入し、そのまま又は必要によりヘキサンにより希釈して使用した。。
メタノールについては、富士フイルム和光純薬株式会社から乾燥溶媒として購入し、さらに精製することなく使用した。
<<フローマイクロリアクター>>
実施例で使用したフローマイクロリアクターは、以下のとおりである。
混合手段としては、内径250μm又は500μmのSUS304 T字型マイクロミキサー(三幸精機株式会社製)を用いた。
流通路としては、内径1,000μmのSUS316製の管(GL Sciences社製)を用いた。
混合手段と流通路とは、ステンレス製の継手(GL Sciences社製, 1/16OUW)で接続した。
TACMINA社製のスムーズフローポンプと島津製作所LC−6ADとを用いて、溶媒、及び各溶液をフローマイクロリアクターに導入した。
連続運転を監視するために、流量計(株式会社キーエンス社製、FD−S)と圧力計(長野計器株式会社製、KH15)とをフローシステムに配置した。
<バッチ反応容器を用いた、希釈したn−BuLiにより開始されるポリスチレンの合成>
一般に、アルキルリチウムはTHFと反応することが知られている。特に、0℃や20℃のような高温でのアルキルリチウムの分解は非常に速い。
そのことの確認として、THFにより希釈したn−BuLiを用い、以下のスキームに示すポリスチレンの合成を、バッチ式により行った。
n−BuLiの溶液(ヘキサン/シクロヘキサン中0.050M, 1.0mL, 0.050mmol)に、0℃でTHF(1.0mL)を加え、得られた溶液を、0.2分間(t=0.2min)撹拌した。得られ混合物に、スチレンの溶液(THF中2.00M, 2.5mL, 5.0mmol)を加えた。10分間撹拌した後、反応混合物をメタノールの溶液(THF中0.15M, 1.0mL, 0.15mmol)によって失活させた。減圧により溶媒を除去し、得られたポリマーの数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)を求めた。結果を表1に示した。
撹拌時間(t)を、0.2分間(t=0.2min)から1分間(t=1min)に変えた以外は、比較例1−1と同様にして、ポリスチレンを合成した。
得られたポリマーの数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)を求めた。結果を表1に示した。
撹拌時間(t)を、0.2分間(t=0.2min)から10分間(t=10min)に変えた以外は、比較例1−1と同様にして、ポリスチレンを合成した。
得られたポリマーの数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)を求めた。結果を表1に示した。
<ポリスチレンの合成(フロー)>
ポリスチレンの合成を、図3に示すフローマイクロリアクターを用いて行った。
フローマイクロリアクターの混合手段、流通路の詳細は、以下のとおりである。
・流通路P11:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P12:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P13:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路R11(反応部):内径1,000μm、長さ600cm
・流通路R12(反応部):内径1,000μm、長さ50cm
・混合手段M1:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M2:T型マイクロミキサー、内径500μm
なお、図中のMFは流量計を意味し、PIは圧力計を意味する。
フローマイクロリアクターは、0℃に冷却されている。
上記操作を、n−BuLiの溶液の濃度、及びスチレンの溶液の流速(mL/min)を変えて行った。結果を表2に示した。
「styrene」は、スチレンの溶液の流速(mL/min)を表す。
「[M]/[I]」は、スチレンとn−BuLiとのモル比(スチレン/n−BuLi)を表す。
「conv(%)」は、モノマーの転化率を表す。
<ポリスチレンの合成(フロー)>
ポリスチレンの合成を、図4に示すフローマイクロリアクターを用いて行った。
フローマイクロリアクターの混合手段、流通路の詳細は、以下のとおりである。
・流通路P1:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P2:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P3:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P4:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路R1:内径1,000μm、長さ3.5cm
・流通路R2(反応部):内径1,000μm、長さ600cm
・流通路R3(反応部):内径1,000μm、長さ10cm
・混合手段M1:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M2:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M3:T型マイクロミキサー、内径500μm
なお、図中のMFは流量計を意味し、PIは圧力計を意味する。
フローマイクロリアクターは、0℃に冷却されている。
上記操作を、n−BuLiの溶液の濃度、及びスチレンの溶液の流速(mL/min)を変えて行った。結果を表3に示した。
「solvent」は、P2を通過する溶媒の流速(mL/min)を表す。
「styrene」は、スチレンの溶液の流速(mL/min)を表す。
「[M]/[I]」は、スチレンとn−BuLiとのモル比(スチレン/n−BuLi)を表す。
「conversion」は、モノマーの転化率を表す。
なお、表3の条件の場合、流通路R1における通過時間(tR1)は、0.08秒である。
次に、図4に示すフローマイクロリアクターにおいて、温度(T)、及び流通路R1の通過時間(tR1)を表4に示すように変化させて、その影響を確認した。その他の条件は、以下の特記事項を除き、上記と同じである。結果を表4に示した。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・THF(希釈溶媒:流通路P2に流す溶媒)の流速:10mL/min
・流通路R1:内径1,000μm、長さは、50cm、100cm、又は200cm
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:30mL/min
次に、図3又は図4のフローマイクロリアクターの連続運転を行った。連続運転での安定性を確認するために、流量の変化、及び圧力の変化を確認した。
<<開始剤の希釈なし>>
図3のフローマイクロリアクターの連続運転を行った。
比較例2において、フローマイクロリアクターの条件を以下の通りとした以外は、比較例2と同様にして、フローマイクロリアクターによりポリスチレンを連続合成した。なお、他の条件は、比較例2と同じである。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:30mL/min
図5Aは、流量の変化を示すグラフである。図5Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図5Bより、圧力が安定していないことが確認できる。
<<開始剤のヘキサン希釈>>
図4のフローマイクロリアクターの連続運転を行った。
実施例1において、フローマイクロリアクターの条件を以下の通りとした以外は、実施例1と同様にして、フローマイクロリアクターによりポリスチレンを連続合成した。なお、他の条件は、実施例1と同じである。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・希釈溶媒(流通路P2に流す溶媒):THFに代えてヘキサンを使用
・ヘキサンの流速:10mL/min
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:30mL/min
図6Aは、流量の変化を示すグラフである。図6Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図6Bより、経時で圧力が上昇していることが確認できる。これは、ヘキサンがポリマーの溶解性が小さいことが影響していると考えられる。
図4のフローマイクロリアクターの連続運転を行った。
実施例1において、フローマイクロリアクターの条件を以下の通りとした以外は、実施例1と同様にして、フローマイクロリアクターによりポリスチレンを連続合成した。なお、他の条件は、実施例1と同じである。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・希釈溶媒(流通路P2に流す溶媒):THF
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:30mL/min
図7Aは、流量の変化を示すグラフである。図7Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図7Bより、比較例3及び4よりも、経時での圧力変化がほとんどなく、経時で圧力が安定していることが確認できる。
<<30分間運転>>
実施例2において、連続運転時間を30分まで延ばした場合の流量の変化、及び圧力の変化を確認した。
結果を、図8A及び図8Bに示した。
図8Aは、流量の変化を示すグラフである。図8Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図8Bより、30分間の連続運転でも、経時での圧力変化(圧力上昇)は小さく、経時で圧力が安定していることが確認できる。
<<流速変化(20mL/min)>>
実施例3において、希釈溶媒(流通路P2に流す溶媒)であるTHFの流速を20mL/minに変更した以外は、実施例3と同様にして、ポリスチレンの連続合成を行い、流量の変化、及び圧力の変化を確認した。
結果を、図9A及び図9Bに示した。
図9Aは、流量の変化を示すグラフである。図9Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図9Bより、30分間の連続運転でも、経時での圧力変化(圧力上昇)は実施例3よりも更に小さく、経時で圧力が非常に安定していることが確認できる。
<<温度変化(20℃)>>
実施例3において、フローマイクロリアクターの冷却温度を20℃に変更した以外は、実施例3と同様にして、ポリスチレンの連続合成を行い、流量の変化、及び圧力の変化を確認した。
結果を、図10A及び図10Bに示した。
図10Aは、流量の変化を示すグラフである。図10Bは、圧力の変化を示すグラフである。なお、流量及び圧力は、フローマイクロリアクターにおける開始剤送液ポンプ直下のMF及びPIで測定した値である。
図10Bより、30分間の連続運転でも、経時での圧力変化(圧力上昇)は実施例3よりも更に小さく、経時で圧力が非常に安定していることが確認できる。
<[M]/[I]の変化>
実施例1において、[M]/[I]を変化させて、その影響を確認した。その他の条件は、以下の特記事項を除き、実施例1と同じである。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M又は0.025M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・THFの流速:20mL/min
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:20mL/min〜60mL/min
・フローマイクロリアクターの温度:20℃
図11より、[M]/[I]の増加に従い、数平均分子量(Mn)が直線的に増加していることがわかる。また、この間、分子量分布(Mw/Mn)は、1.061〜1.187であった。このことから、分子量が非常に制御されていることが確認できた。
実施例1において、フローマイクロリアクターの条件を以下の通りとした以外は、実施例1と同様にして、フローマイクロリアクターによりポリスチレンを連続合成した。なお、他の条件は、実施例1と同じである。
・n−BuLiの溶液:ヘキサン中の濃度(X)は0.05M
・n−BuLiの溶液の流速:10mL/min
・希釈溶媒(流通路P2に流す溶媒):THF
・THFの流速:20mL/min
・スチレンの溶液(THF中2.0M)の流速:20mL/min
・フローマイクロリアクターの温度:20℃
・運転時間:4時間
なお、4時間の連続運転で約1kgのポリマーが得られた。
また、4時間の連続運転中の流通路P3(スチレンの溶液の流通路)の圧力の変化を、図13Aに示した。4時間の連続運転中の流通路P1(n−BuLiの溶液の流通路)の圧力の変化を、図13Bに示した。図13A及び図13Bより、4時間の連続運転でも、圧力が安定していることが確認できた。
また、4時間の連続運転中の数平均分子量(Mn)、及び分子量分布(Mw/Mn)の変化を、図14に示した。図14より、4時間の連続運転でも、分子量が非常に制御されていることが確認できた。
<分子量及び分子量分布>
数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定により決定した。
具体的には、Shodex LF−804 カラム(昭和電工株式会社製)を2本備えた、Shodex GPC−101(昭和電工株式会社製)を用い、40℃、展開溶媒としてテトラヒドロフランを用い、RI(Refractive Index、示差屈折率)検出器により測定した。
キャリブレーションは、市販のスチレン重合体(TSK社製、standard polystyrene TOSOHの A−500(TS−505) Mw=500、A1000(TS−501) Mw=1,050、A−2500(TS−502) Mw=2,500、A−5000(TS−503) Mw=5,870、F−1(TS−203) Mw=9,830、F−2(TS−504) Mw=17,100、F−4(TS−202) Mw=37,200、F−10(TS−144) Mw=98,900、F−20(TS−140) Mw=189,000、F−40(TS−85) Mw=354,000、F−80(TS−201) Mw=707,000、F128(TS−206) Mw=1,110,000)を標準サンプルとして用いて行った。
THF(テトラヒドロフラン)については、富士フイルム和光純薬株式会社から購入し、そのまま使用した。
ヘキサンについては、富士フイルム和光純薬株式会社から購入し、さらに精製することなく使用した。
スチレンおよび4-メチルスチレンについては、東京化成工業株式会社から購入し、使用前に蒸留した。
n−ブチルリチウム(n−BuLi)については、富士フイルム和光純薬株式会社からn−ヘキサン溶液(1.6M)として購入し、ヘキサンにより希釈して使用した。
メタノールについては、富士フイルム和光純薬株式会社から乾燥溶媒として購入し、さらに精製することなく使用した。
フローマイクロリアクターの混合手段、流通路の詳細は、以下のとおりである。
・流通路P1:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P2:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P3:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P4:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路P5:内径1,000μm、長さ200cm
・流通路R1:内径1,000μm、長さ3.5cm
・流通路R2(反応部):内径1,000μm、長さ600cm
・流通路R3(反応部):内径1,000μm、長さ600cm
・流通路R4(反応部):内径1,000μm、長さ10cm
・混合手段M1:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M2:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M3:T型マイクロミキサー、内径250μm
・混合手段M4:T型マイクロミキサー、内径500μm
なお、図中のMFは流量計を意味し、PIは圧力計を意味する。
また、1時間の連続運転中の流通路P3(スチレンの溶液の流通路)の圧力、及び流通路P1(n−BuLiの溶液の流通路)の圧力の変化を、図17に示した。図17より、1時間の連続運転でも、圧力が安定していることが確認できた。
また、1時間の連続運転中の数平均分子量(Mn)、及び分子量分布(Mw/Mn)の変化を、図18に示した。図18より、1時間の連続運転でも、分子量が制御されていることが確認できた。
実施例8において、4−メチルスチレンの濃度を1.0Mとした以外は、実施例8と同様にして、スチレンと4−メチルスチレンの共重合体の合成を、図19に示すフローマイクロリアクターを用いて行った。連続運転での安定性を確認するために、流量の変化、及び圧力の変化を確認した。
図21は、1時間の連続運転中の流通路P3(スチレンの溶液の流通路)の圧力、及び流通路P1(n−BuLiの溶液の流通路)の圧力の変化である。図21より、1時間の連続運転でも、圧力が安定していることが確認できた。
また、1時間の連続運転中の数平均分子量(Mn)、及び分子量分布(Mw/Mn)の変化を、図22に示した。図22より、1時間の連続運転でも、分子量が制御されていることが確認できた。
<1> フロー式のリアクターを用いたポリマーの製造方法であって、
前記フロー式のリアクターが、
第1の流通路と、
第2の流通路と、
前記第1の流通路と前記第2の流通路との合流部に設けられた第1の混合手段と、
前記第1の混合手段と接続し、前記第1の混合手段の下流側に配された第3の流通路と、
第4の流通路と、
前記第3の流通路と前記第4の流通路との合流部に設けられた第2の混合手段と、
前記第2の混合手段と接続し、前記第2の混合手段の下流側に配された第5の流通路と、
を有し、
アニオン重合開始剤及び炭化水素溶媒を含有する開始剤溶液を前記第1の流通路内に流通させ、かつ極性溶媒を前記第2の流通路内に流通させ、前記第1の混合手段で前記開始剤溶液及び前記極性溶媒を混合して混合液を得る混合工程と、
前記混合液を前記第3の流通路内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を前記第4の流通路内に流通させ、前記第2の混合手段で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、前記第5の流通路内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合しポリマーを得る重合工程と、
を含むことを特徴とするポリマーの製造方法である。
<2> 前記アニオン重合開始剤が、有機リチウムである前記<1>に記載のポリマーの製造方法である。
<3> 前記炭化水素溶媒が、ヘキサン、及びベンゼンの少なくともいずれかである前記<1>から<2>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<4> 前記極性溶媒が、テトラヒドロフランである前記<1>から<3>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<5> 前記アニオン重合性モノマーが、ビニル基含有化合物である前記<1>から<4>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<6> 前記ビニル基含有化合物が、スチレンを含有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<7> 前記モノマー含有液が、極性溶媒を含有する前記<1>から<6>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<8> 前記モノマー含有液に含有される前記極性溶媒が、テトラヒドロフランである前記<1>から<7>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<9> 前記ポリマーの数平均分子量(Mn)が、1,000〜100,000である前記<1>から<8>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
<10> 前記ポリマーの、重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した分子量分布(Mw/Mn)が、1.30以下である、前記<1>から<9>のいずれかに記載のポリマーの製造方法である。
P2 流通路
P3 流通路
P4 流通路
P5 流通路
R1 流通路
R2 流通路
R3 流通路
R4 流通路
M1 混合手段
M2 混合手段
M3 混合手段
M4 混合手段
Claims (10)
- フロー式のリアクターを用いたポリマーの製造方法であって、
前記フロー式のリアクターが、
第1の流通路と、
第2の流通路と、
前記第1の流通路と前記第2の流通路との合流部に設けられた第1の混合手段と、
前記第1の混合手段と接続し、前記第1の混合手段の下流側に配された第3の流通路と、
第4の流通路と、
前記第3の流通路と前記第4の流通路との合流部に設けられた第2の混合手段と、
前記第2の混合手段と接続し、前記第2の混合手段の下流側に配された第5の流通路と、
を有し、
アニオン重合開始剤及び炭化水素溶媒を含有する開始剤溶液を前記第1の流通路内に流通させ、かつ極性溶媒を前記第2の流通路内に流通させ、前記第1の混合手段で前記開始剤溶液及び前記極性溶媒を混合して混合液を得る混合工程と、
前記混合液を前記第3の流通路内に流通させ、かつアニオン重合性モノマーを含有するモノマー含有液を前記第4の流通路内に流通させ、前記第2の混合手段で前記混合液及び前記モノマー含有液を混合して、前記第5の流通路内で前記アニオン重合性モノマーをアニオン重合しポリマーを得る重合工程と、
を含むことを特徴とするポリマーの製造方法。 - 前記アニオン重合開始剤が、有機リチウムである請求項1に記載のポリマーの製造方法。
- 前記炭化水素溶媒が、ヘキサン、及びベンゼンの少なくともいずれかである請求項1から2のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記極性溶媒が、テトラヒドロフランである請求項1から3のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記アニオン重合性モノマーが、ビニル基含有化合物である請求項1から4のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記ビニル基含有化合物が、スチレンを含有する請求項1から5のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記モノマー含有液が、極性溶媒を含有する請求項1から6のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記モノマー含有液に含有される前記極性溶媒が、テトラヒドロフランである請求項1から7のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリマーの数平均分子量(Mn)が、1,000〜150,000である請求項1から8のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記ポリマーの、重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した分子量分布(Mw/Mn)が、1.30以下である、請求項1から9のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
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