JP3147389B2 - アニオン交換体 - Google Patents
アニオン交換体Info
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Description
体、特に耐熱性のすぐれた架橋アニオン交換体に関する
ものである。
ば、1〜3級アミン、4級アンモニウムといったような
アミン性物質等の各種アニオン交換性物質を官能基とす
る種々の樹脂が知られている。特にこれらのうちトリメ
チルアミンがポリビニル芳香族化合物のベンジル基と共
有結合した、トリメチルベンジルアンモニウム塩タイプ
のものが、イオン交換能力がすぐれており広く用いられ
ている。しかしながら、トリメチルベンジルアンモニウ
ム塩タイプのものは、高温条件ではアンモニウム塩の分
解反応が進み、交換基の脱落を起こすため、高温下での
長期に渡る使用には適していない。また、トリメチルベ
ンジルアンモニウム塩タイプ以外の強塩基性陰イオン交
換樹脂としては、トリメチル基をトリエチル基等の他の
アルキル基に替えたものは知られているが、芳香環と4
級アンモニウム基の窒素原子は−CH2 −(メチレン
基)で結合されたものが殆んどである。
ニル炭化水素と芳香族ジビニル炭化水素の架橋共重合体
で−Cn H2n−X(式中、Xが塩素又は臭素原子で−C
n H2nはnが1〜4のアルキレン基)で示されるハロア
ルキル基を有するものに3級アミンを反応させて得られ
る強アニオン交換体との記載があるが、具体的には、上
記nが1であるものが記載されているのみであり、ま
た、nが3又は4のものについては、この文献に記載さ
れている方法に準じて製造したとすれば目的物の−(C
H2 )3 −又は−(CH2 )4 −は樹脂全体のアニオン
交換基の一部しか存在せず、耐熱性が向上しない。その
上、この文献には樹脂の耐熱性については記載されてい
ない。
高いアニオン交換体が求められていた。
アニオン交換体において、該交換体が、下記一般式
(a)で示される4級アンモニウム基を有する構造単位
及び不飽和炭化水素基含有架橋性モノマーから誘導され
る単位を含有し、かつ該交換体のアニオン交換基の90
%以上を一般式(a)において−R−N+ R1 R2 R3
・X- で示される基として有することを特徴とする架橋
アニオン交換体に関する。
レン基(環状炭化水素を含む)を示す。R1 ,R2 ,R
3 はそれぞれ独立に炭素数1から8の炭化水素基あるい
はアルカノール基を示す。一般式(a)のベンゼン環は
アルキル基或いはハロゲン原子で置換されているか又は
他の芳香環と縮合していてもよい。Xはアニオンを示
す〕本発明のこのアニオン交換体は耐熱性に優れ、耐熱
性アニオン交換体が必要とされる各種分野に用いること
ができる。本発明におけるアニオン交換体は4級化した
置換アンモニウム基を有しており、アニオンをイオン相
互作用により吸着することができる。以下、本発明を詳
細に説明する。 前記一般式(a)において Rとしては炭素数3から18のポリメチレン基である
が、これらのポリメチレン基としては環状炭化水素の場
合も含む。好ましくは炭素数3から10のポリメチレン
基であり、シクロヘキシレン基等の環状飽和炭化水素の
基が介在している例えば
1〜8の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基、アルケニル
基の他、それらを介してシクロヘキシル基のような環状
炭化水素基を有していてもよい。又は、これらにヒドロ
キシル基の結合したアルカノール基も挙げられる。環状
基を有する基の例としては、シクロヘキシルメチル基の
ような基が挙げられる。一般式(a)のベンゼン環の置
換基としてはエチル基等のアルキル基、塩素、臭素、よ
う素等のハロゲン原子が挙げられ、また、他の芳香環と
縮合している場合の例としてはナフタレン環が挙げられ
る。このようなベンゼン環としては−R−N+ R1 R2
R3 ・X- の他に置換基を有していないものが好ましい
が上記の置換基のうち、メチル基、エチル基等を有する
ものも好ましく用いられる。一般式(a)におけるX-
としてはアニオンであれば特に限定されないが、例えば
Cl- ,Br- ,I- 等のハロゲンイオン、硫酸イオ
ン、NO3 - ,OH- ,p−トルエンスルホン酸イオン
等のその他のアニオンが挙げられる。尚、硫酸イオンの
ように2価のアニオンである場合は、一般式(a)の構
造単位2分子に対してアニオン1分子が吸着することに
なる。本発明は、前記一般式(a)において−R−N+
R1 R2 R3 ・X- で示される基が架橋アニオン交換体
の全アニオン交換基の90%以上であることを特徴とし
ている。すなわち、本発明において、Rが非環状のポリ
メチレン基である場合、Rは炭素数3〜18の直鎖状ポ
リメチレン基であり、−N+ R1 R2 R3 ・X- で示さ
れる基は、直鎖の末端に結合するものである。言いかえ
れば、例え、Rの炭素数が大きい場合でも、Rが分岐鎖
状であったり、又は第4級アンモニウム基がRの末端で
はなく途中に結合するような基は、交換体のアニオン交
換基中の10%未満であるということである。この点で
本発明のアニオン交換体は公知のアニオン交換樹脂と異
なっており、それによって耐熱性も向上するのである。
本発明のアニオン交換体は−N+ R1 R2 R3 ・X- で
示されるアニオン交換基を上記のような範囲の量有して
いなければならないが、とくにこのアニオン交換基は、
実質的に全量が一般式(a)で示される構造単位として
有しているものが好ましい。本発明のアニオン交換体
は、例えば以下のような製造法で作られる。一般式
(a)で示される構造単位は下記一般式(b)で示され
る前駆体モノマーとして通常与えられる。
じであり、Zは臭素、塩素、よう素、トシル基等置換活
性のある基を表す。(b)のベンゼン環は、アルキル基
又はハロゲン原子で置換されているか、他の芳香環と縮
合してナフタリン環等を形成していてもよい。〕上記一
般式(b)で示される前駆体モノマーの−R−Zの基を
有する母体モノマーとしては、スチレンが好ましいがこ
の他、エチルビニルベンゼン、ビニルトルエン、ビニル
ナフタリン等が挙げられる。この前駆体モノマーは通
常、例えば「Jaurnal of polymers
cience polymer chemistry
edition,volume20,(1982) p
3015」に記載されている如くの公知の技術で製造さ
れうる。すなわち、クロルメチル化した上記の母体モノ
マー(例えばクロルメチルスチレン)に、グリニャール
法により、ポリアルキレンジハライドを反応させること
により得ることができる。ここで言うポリアルキレンジ
ハライドとは、炭素数が3から18のポリメチレン基を
有するものが用いられ、好ましくは炭素数が3から10
のポリメチレン基を有するものが用いられる。炭素数が
少ない場合には、本発明による耐熱性の効果が期待しに
くく、また、炭素数が多い場合には単位重量あたりの交
換容量が減少するために、工業的な観点からは実用的で
ない。一方、クロル化した上記の母体モノマー(クロル
スチレン)にグリニャール法によりポリアルキレンジハ
ライドを反応する方法でも、一般式(b)の前駆体モノ
マーを得ることができる。本発明のアニオン交換体を形
成するのに必要な不飽和炭化水素基含有架橋性モノマー
としては、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、ジ
ビニルトルエン、ジビニルナフタリン、ジビニルキシレ
ン、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレン
グリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパン
トリメタクリレート等が挙げられる。中でもジビニルベ
ンゼンが好ましい。本発明のアニオン交換体は、この他
必要に応じて前駆体モノマー、架橋性モノマー以外の付
加重合性モノマーを用いて共重合成分を導入してもよ
い。この付加重合モノマーの具体例としては、スチレ
ン、メタクリル酸メチルもしくはメタクリル酸エチル、
メタクリル酸プロピル等のメタクリル酸エステル、メタ
クリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アク
リル酸プロピル等のアクリル酸エステル、アクリル酸、
アクリロニトリル、メタクリロニトリル、エチルビニル
ベンゼン、ビニルトルエン、ビニルナフタレン、ブタジ
エン、イソプレン等が挙げられる。
ノマーを使用して架橋共重合体を形成し、その後一般式
(b)で示される前駆体モノマーから誘導された構造単
位の「−R−Z」の部位にアンモニウム基を導入するこ
とにより製造される。この架橋共重合体は公知の技術に
準じて製造され、通常は球状架橋共重合体に製造され
る。すなわち一般式(a)で示される構造単位を形成す
る前駆体モノマーつまり、一般式(b)で示される前駆
体モノマーと不飽和炭化水素基含有架橋性モノマー及び
必要に応じて用いられる付加重合性モノマーは、公知の
方法に準じて重合開始剤の存在下懸濁重合される。
駆体モノマーは、原料モノマー全量に対して20〜10
0重量%使用される。また、不飽和炭化水素基含有架橋
性モノマーの組成比率は本発明のアニオン交換体の不溶
化に重要な影響を与える。通常、不飽和炭化水素基含有
架橋性モノマーの組成比率が低い場合にはアニオン交換
体の不溶化が出来ず、また、逆に不飽和炭化水素基含有
架橋性モノマーの組成比率が高い場合にはアニオン交換
体のイオン交換成分の比率が低くなるために実用上意味
を持たない。従って、本発明のアニオン交換体を製造す
る際の不飽和炭化水素基含有架橋性モノマーの使用比率
は、原料全モノマーに対して通常、0.1%から55%
が用いられ、特に好ましくは、0.5%から25%の重
量比率で用いられる。
マーの使用比率は、原料全モノマーに対して0〜50
%、好ましくは0〜20%の重量比率で用いられる。ま
た、懸濁重合の際に用いられる重合開始剤としては、過
酸化ジベンゾイル、過酸化ラウロイル、t−ブチルハイ
ドロパーオキサイド、アゾビスイソブチロニトリル等が
用いられ、通常、全モノマーに対して、0.1〜5重量
%程度用いられる。重合温度としては、重合開始剤の種
類、濃度によっても異なるが、通常は、40〜100℃
の範囲で選択され用いられる。このようにして製造され
た架橋共重合体に、アンモニウム基を導入する方法とし
ては、公知の方法が挙げられ、例えば樹脂を溶媒中に懸
濁し、NR1 R2 R3 (式中、R1 ,R2 ,R3 は一般
式(a)の定義と同じ)で表わされる置換アミンを反応
させる方法が挙げられる。この導入反応の際に用いられ
る溶媒としては、例えば、水、アルコール、トルエン、
ジオキサン、ジメチルホルムアミド等が単独で、或いは
混合することにより用いられる。また、反応温度は、置
換アミンの種類、溶媒の種類により大きく異なるが、通
常は、20〜100℃の範囲が用いられる。
オン型にかえることによって本発明のアニオン交換体は
得られる。上記した通り、製造される本発明のアニオン
交換体は、とくに一般式(a)で−R−N+ R1 R2 R
3 ・X- で示される基を有する構造単位20〜99.5
重量%、不飽和炭化水素基含有架橋性モノマーから誘導
される構造単位を0.1〜55重量%及びその他の付加
重合性モノマーから誘導される構造単位0〜20重量%
からなる組成であるようなものが好ましい。そして、本
発明のアニオン交換体としては、Xが水酸化物イオンで
ある場合はそのまま、又はXがそれ以外のアニオンであ
る場合は、水酸化物型に変換し、そのものを0.1N水
酸化ナトリウム水溶液中で100℃60時間加熱した場
合でも交換容量残存率が90%以上でかつ体積保持率が
90%以上であるという条件を満たすものが特に好まし
い。また、本発明のアニオン交換体の形状は特に限定さ
れず、上記の様に詳しく説明したビーズ状のものの他、
公知の方法で多孔性を付与したものや、繊維状、粉状、
板状、膜状のような各種形状としたものも本願に含まれ
る。
明するが、本発明の下記の実施例に限られるものではな
い。
ルエーテル中で金属マグネシウムと攪拌下、0℃で3時
間放置し、マグネシウム複合体とした。この溶媒を窒素
置換テトラハイドロフランと置換した後、0℃で1,3
−ジプロモプロパン及びLi2 CuCl4 を含むテトラ
ヒドロフラン中に滴下した。0℃で5時間、反応を続け
た後、得られた生成物を蒸留により分取した。4−ブロ
モブチルスチレンは0.3Torr、120℃で得ら
れ、原料クロルメチルスチレンを基準とする収率は35
%であった。4−ブロモブチルスチレンの同定は、「ジ
ャーナル・オブ・ポリマー・サイエンス・ポリマー・ケ
ミストリー・エディション,20巻,1982年,30
15ページ」に記載のNMR法により行った。
成)得られた4−ブロモブチルスチレン96.4重量部
及び工業グレードのジビニルベンゼン(純度55%、残
りの主成分はエチルビニルベンゼン)、3.6重量部に
1.0重量部のアゾビスイソブチロニトリルを加え、窒
素雰囲気下、70℃で18時間保持する懸濁重合法によ
りポリマービーズを90%の収率で得た。
4−ブロモブチルスチレン100重量部をジオキサン3
00重量部中に懸濁させ攪拌を行い、2時間膨潤させ
た。次いで、ブロモ基に対して3モル等量のトリメチル
アミンを滴下し、懸濁溶液を50℃で、10時間反応を
続けた。得られたアニオン交換体を脱塩水を用いて充分
に洗浄した後、塩型をクロル型に変換した。このように
して、以下の一般性能を有するアニオン交換体を得た。 交換容量 0.79meq/ml 3.77meq/g 水 分 67.4% 本アニオン交換体をサンプルAとする。なお、上記一般
性能の測定にあたっては「本田ら編著、イオン交換樹
脂、廣川書店、17〜56ページ」に記載の方法によっ
た。
合成で、4−ブロモブチルスチレンを92.7重量部及
び工業グレードのジビニルベンゼンを7.3重量部に変
更する以外は製造例1と同様な方法によりアニオン交換
体を得た。このようにして、以下の一般性能を有するア
ニオン交換体を得た。 交換容量 1.10meq/ml 3.65meq/g 水 分 54.1% 本アニオン交換体をサンプルBとする。
1,3−ジブロモプロパンの代りに、1,6−ジブロモ
ヘキサンを用いる以外は製造例2と同様な方法により、
アニオン交換体を得た。このようにして、以下の一般性
能を有するアニオン交換体を得た。 交換容量 1.16meq/ml 3.07meq/g 水 分 44.1% 本アニオン交換体をサンプルCとする。なお、中間体で
ある7−ブロモヘプチルスチレンは0.4Torr、1
20℃の条件により、蒸留分取された。
1,3−ジブロモプロパンの代わりに、1,4−ビス
(ブロモメチル)シクロヘキサンを用いる以外は製造例
1と同様な方法により、アニオン交換体を得た。このよ
うにして、以下の一般性能を有するアニオン交換体を得
た。 交換容量 0.96meq/ml 2.77meq/g 水 分 49.6% 本アニオン交換体をサンプルDとする。なお、中間体で
ある2−(4−ブロモメチルシクロヘキシレン)−エチ
ルスチレンは0.25Torr、120℃の条件によ
り、蒸留分取された。
レン83.16gを窒素置換したテトラハイドロフラン
中で金属マグネシウムと攪拌下、35℃で5時間放置
し、マグネシウム複合体とした。これをテトラハイドロ
フラン、1,3−ジブロモプロパン、Li2 CuCl4
混合溶液に30℃で滴下した。30℃で2時間反応を続
けた後、得られた生成物を蒸留により分取した。3−ブ
ロモプロピルスチレンは0.2Torr、110℃で得
られ、原料p−クロロスチレンを基準とする収率は47
%であった。3−ブロモプロピルスチレンの同定はNM
R法により行った。
成)得られた3−ブロモプロピルスチレン92.7重量
部及び工業グレードのジビニルベンゼン(純度55%、
残りの主成分はエチルビニルベンゼン)、7.3重量部
に1.0重量部のアゾビスイソブチロニトリルを加え、
窒素雰囲気下、70℃で8時間保持する懸濁重合法によ
りポリマービーズを79%の収率で得た。
3−ブロモプロピルスチレン10重量部をジオキサン1
00重量部中に懸濁させ攪拌を行い、2時間膨潤させ
た。次いで、ブロモ基に対して10モル等量のトリメチ
ルアミンを滴下し、懸濁溶液を50℃で10時間反応を
続けた。得られたアニオン交換体を脱塩水を用いて充分
に洗浄した後、塩型をクロル型に変換した。このように
して、以下の一般性能を有するアニオン交換体を得た。 交換容量 1.37meq/ml 3.80meq/g 水 分 49.6% 本アニオン交換体をサンプルEとする。
B、C、D及びダイヤイオンSA102(商品名、三菱
化成株式会社製)の短期耐熱性比較試験を実施した。ア
ニオン交換体をクロル型基準で10mlをメスシリンダー
を用いて計り取り、カラム法によりクロル型を遊離型に
変換した。セントル濾過を行い余分な水分を除去した
後、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液40mlを含む
試験管中に入れた。試験管をオートクレーブ中に設置し
た後に、オートクレーブを加温状態にして短期耐熱性試
験を実施した。100℃で60時間加温した場合の交換
容量の減少は以下のとうりであった。ただし、試験後の
交換容量は試験実施前の体積基準で表示した。
びダイヤイオンSA10A(商品名、三菱化成株式会社
製)の長期耐熱性比較試験を実施した。アニオン交換体
を遊離型基準で100ml、メスシリンダーを用いて計り
取り、脱塩水を用いてガラス製オートクレーブ中に投入
し、全体で160mlとなるようにした。これに窒素を吹
き込みながら50℃で1時間加熱し、水中の酸素を除去
した。密栓をして100℃で720時間加熱状態を保持
して長期耐熱性試験を実施した。長期耐熱試験後の交換
容量及び体積の減少は以下の通りであった。ただし、試
験後の交換容量は試験実施前の体積基準で表示した。
に優れており、耐熱性アニオン交換体が必要とされる各
種分野において用いることができる。
Claims (10)
- 【請求項1】 架橋アニオン交換体において、該交換体
が、下記一般式(b)で示される4級アンモニウム基を
有する構造単位及び不飽和炭化水素基含有架橋性モノマ
ーから誘導される単位を含有し、かつ該交換体のアニオ
ン交換基の90%以上を一般式(b)において−N+R1
R2R3・OH - で示される基として有することを特徴と
する架橋アニオン交換体。 【化1】 (式中、Rは炭素数3から18のポリメチレン基(環状
炭化水素を含む)を示す。R1、R2、R3はそれぞれ独
立に炭素数1から8の炭化水素基又はアルカノール基を
示す。ベンゼン環はアルキル基若しくはハロゲン原子で
置換されているか又は他の芳香環と縮合していてもよ
い。) - 【請求項2】 交換容量がCl型で0.79meq/m
l以上であることを特徴とする請求項1記載の架橋アニ
オン交換体。 - 【請求項3】 架橋アニオン交換体において、交換容量
がCl型で0.79meq/ml以上であり、かつ下記
一般式(a)で示される4級アンモニウム基を有する構
造単位及び不飽和炭化水素基含有架橋性モノマーから誘
導される単位を含有し、アニオン交換基の90%以上を
一般式(a)において 【化2】 で示される基として有することを特徴とする架橋アニオ
ン交換体。 【化3】 (式中、Rは炭素数3から18のポリメチレン基(環状
炭化水素を含む)を示す。R 1 、R 2 、R 3 はそれぞれ独
立に炭素数1から8の炭化水素基又はアルカノール基を
示す。ベンゼン環はアルキル基若しくはハロゲン原子で
置換されているか又は他の芳香環と縮合していてもよ
い。X - はアニオンを示す。) - 【請求項4】 Rが炭素数3〜10のポリメチレン基で
あることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記
載のアニオン交換体。 - 【請求項5】 Rが炭素数3〜6のポリメチレン基であ
ることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載
のアニオン交換体。 - 【請求項6】 R 1 、R 2 及びR 3 の少なくとも1個がア
ルカノール基であることを特徴とする請求項1ないし5
のいずれかに記載のアニオン交換体。 - 【請求項7】 交換容量が2.77meq/g以上であ
ることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載
のアニオン交換体。 - 【請求項8】 0.1規定水酸化ナトリウム水溶液中で
水酸化物型として100℃で60時間加熱したときの、
加熱前の体積を基準とする交換容量残存率が87.3%
以上であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれ
かに記載の アニオン交換体。 - 【請求項9】 形状がビーズ状であることを特徴とする
請求項1ないし8のいずれかに記載のアニオン交換体。 - 【請求項10】 形状が繊維状、粉状、板状又は膜状で
あることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記
載のアニオン交換体。
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