JP3460729B2 - 高交換容量を有するアニオン交換体及びその製造方法 - Google Patents

高交換容量を有するアニオン交換体及びその製造方法

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  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、新規なアニオン交換
体、特に交換容量の高いアニオン交換体に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、アニオン交換樹脂としては例えば
1〜3級アミノ基、4級アンモニウム基等の各種アニオ
ン交換性官能基を有する種々の樹脂が知られている。一
般的にアニオン交換樹脂はスチレンとジビニルベンゼン
を懸濁重合する事により得られる共重合ポリマーをクロ
ロメチル化し、さらに該クロロメチル化ポリマーをトリ
メチルアミン等のアミン類と反応させる事により製造す
る方法が古くから知られている。
【0003】他方、多くの産業分野から充填塔の寸法
を小さくでき、処理能力を上げることができるアニオ
ン交換体として、高交換容量を有するアニオン交換体が
望まれていた。高交換容量化を図るためには、スチレン
におけるベンゼン環へ交換基をより多く導入することが
考えられるが、例えば、クロロメチル化反応において、
活性の高い触媒を用いるとか反応温度を上げる等の反応
条件を厳しくしたとしても、スチレンのベンゼン環へ平
均して1個より多いクロロメチル基を導入することは困
難であった。
【0004】即ち、スチレン系重合体へのクロロメチル
化反応時には下記反応式(1)で示されるクロロメチル
化反応の他に下記反応式(2)で示される二次架橋反応
も同時に進行し、スチレン骨格の1つのベンゼン環に2
個のクロロメチル基を導入することは困難であった。
【0005】
【化2】
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、交換
容量が高くかつ機械的強度が大きいアニオン交換体及び
該アニオン交換体の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題を解
決するためになされたものであり、その要旨はアニオン
交換体において、該交換体が下記一般式(a)で示され
る繰り返し単位を10〜99.9重量%及び不飽和炭化
水素基含有架橋性単量体から誘導される繰り返し単位を
0.1〜55重量%含有してなることを特徴とするアニ
オン交換体。
【0008】
【化3】
【0009】〔式中、R1 はHまたは−CH2 −N+
2 3 4 ・X- を示し、R2 ,R3,R4 はそれぞれ
アルキル基またはアルカノール基を示し、X- はアニオ
ンを示す。〕及び、少くともp−メチルスチレンと不飽
和炭化水素基含有架橋性単量体とを含有する単量体混合
物を共重合して得られる架橋性共重合体をクロロメチル
化し、次いでアミノ化することを特徴とするアニオン交
換体及びその製造方法に存する。
【0010】以下、本発明につき詳細に説明する。本発
明のアニオン交換体は、前記一般式(a)で表わされる
繰り返し単位と不飽和炭化水素基含有架橋性単量体から
誘導される繰り返し単位とを含有するアニオン交換体で
ある。本発明のアニオン交換体は、これらの繰り返し単
位に加え、更にモノビニル単量体から誘導される繰り返
し単位を含有するものであってもよい。
【0011】前記一般式(a)で表わされる繰り返し単
位は、アニオン交換体中、通常、10〜99.9重量
%、好ましくは25〜99.5重量%、より好ましくは
50〜99重量%含有される。また、不飽和炭化水素基
含有架橋性単量体から誘導される繰り返し単位はアニオ
ン交換体中、通常0.1〜55重量%、好ましくは0.
2〜40重量%、より好ましくは0.5〜25重量%で
ある。
【0012】前記一般式(a)で示される繰り返し単位
におけるR1 はHまたは−CH2 −N+ 3 4 5
- である。R2 ,R3 ,R4 としてはそれぞれ直鎖状
または分岐鎖状のアルキル基、またはこれらにヒドロキ
シル基の結合したアルカノール基が挙げられる。R2
3 ,R4 はそれぞれメチル基であることが好ましく、
又、R2 ,R3がそれぞれメチル基であって、R4 がエ
タノール基であることが好ましい。
【0013】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、硝酸イオン、水酸イオン、炭酸イオ
ン等が挙げられる。本発明のアニオン交換体は、前記一
般式(a)に示すように4級アンモニウム基をメタ位に
有する構造単位からなることを特徴の1つとしている。
【0014】即ち、p−メチルスチレンを使用すること
により、クロロメチル基をベンゼン環に平均して1個よ
り多く導入することが可能となり、かつ立体障害の制約
が比較的小さいので導入されたクロロメチル基をほぼ全
量アミノ化することができ、アニオン交換体における高
交換容量化が達成される。本発明のアニオン交換体は、
例えば以下のような方法で製造できる。
【0015】前記一般式(a)で表わされる繰り返し単
位と不飽和炭化水素基含有架橋性単量体から誘導される
繰り返し単位とを含有するアニオン交換体は、例えばパ
ラメチルスチレンである下記一般式(b)で表わされる
単量体と不飽和炭化水素基含有架橋性単量体とを、必要
に応じモノビニル単量体との共存下共重合、好ましくは
懸濁重合法を用いて共重合することにより、下記一般式
(b)で表わされる単量体から誘導される繰り返し単位
と不飽和炭化水素基含有架橋性単量体から誘導される繰
り返し単位を含有する共重合体、あるいは一般式(b)
で表わされる単量体から誘導される繰り返し単位、不飽
和炭化水素基含有架橋性単量体から誘導される繰り返し
単位及びモノビニル単量体から誘導される繰り返し単位
を含有する共重合体を得、次にこれら共重合体中の一般
式(b)で表わされる単量体から誘導される繰り返し単
位における及び/又はの位置にクロロメチル化によ
りクロロメチル基を導入し、さらにアミノ化することに
より第4級アンモニウム基を導入することにより製造す
ることができる。
【0016】
【化4】
【0017】上記一般式(b)で示される単量体におけ
るメチル基は電子供与性基であるので求電子置換反応に
対してはオルト・パラ配向となる。従って一般式(b)
を用いて重合された共重合体に対してクロロメチル化反
応を行なう場合、該反応は求電子置換反応であるから、
クロロメチル基は一般式(b)で表わされる単量体から
誘導される繰り返し単位のベンゼン環のオルト位(ま
たはの位置)に導入されることとなる。このクロロメ
チル基は電子吸引基であるので求電子置換反応に対して
はメタ配向となるので、同じベンゼン環に次に導入され
るクロロメチル基は既にの位置にクロロメチル基が導
入されているとの位置に、あるいはの位置にクロロ
メチル基が導入されているとの位置に導入されること
となる。
【0018】又、上記及び/又はの位置のクロロメ
チル基は、容易に第4級アンモニウム基に変換できるの
で、p−メトキシスチレンから誘導される構造単位を含
有する共重合体においては前記一般式(a)で示される
繰り返し単位で示されるように、メチル基が結合したベ
ンゼン環の炭素原子の隣の炭素原子に第4級アンモニウ
ム基を1個又は2個導入できることとなる。
【0019】従って、一般にスチレンを使用したアニオ
ン交換体においては、スチレンのベンゼン環には平均し
て1個の4級アンモニウム基が導入されるのに対し、p
−メトキシスチレンを使用したアニオン交換体において
は、p−メトキシスチレンのベンゼン環には、平均して
1個より多く、2個以下、反応条件等の影響を考慮すれ
ば、通常、平均して1.05個以上であって1.5個以
下程度の4級アンモニウム基が導入される。
【0020】本発明において用いることのできる不飽和
炭化水素基含有架橋性単量体としては、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。
【0021】モノビニル単量体としてはスチレン等のモ
ノビニル芳香族、またp−エチルスチレン等のアルキル
置換スチレン、ブロモスチレン等のハロ置換スチレン、
アクリル酸またはメタクリル酸及びそのエステル等のア
クリル系ビニル化合物等が挙げられる。パラメチルスチ
レン及び不飽和炭化水素基含有架橋性単量体の全単量体
に対する使用割合は、本発明のアニオン交換体における
前記一般式(a)で示される繰り返し単位及び不飽和炭
化水素基含有架橋性単量体から誘導される繰り返し単位
の含有量から定まるが、通常、パラメチルスチレンの全
単量体に対する使用割合は10〜99.9重量%、好ま
しくは25〜99重量%、より好ましくは50〜98重
量%程度であり、不飽和炭化水素基含有架橋性単量体の
全単量体に対する使用割合は通常0.1〜55重量%、
好ましくは0.5〜40重量%、より好ましくは1〜3
0重量%程度である。
【0022】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%程度用いることができる。懸濁重合法によ
り得られた重合体をクロロメチル化する方法については
例えばOrganic Reactions,Vol.
I,p63−73(1946)に記載されているような
公知の方法が挙げられる。
【0023】またクロロメチル化ポリマーをアミノ化
(4級アンモニウム基を導入)する方法についても公知
の技術で容易に達成できる。例えばクロロメチル化ポリ
マーを溶媒中に懸濁し、NR2 3 4 (式中、R2
3 ,R4 は一般式(a)中の定義と同じ)で表される
置換アミンと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、ジ
クロロエタン等が単独で、あるいは混合して用いること
ができる。
【0024】その後公知の方法によって塩型を各種アニ
オン型に変える事によって本発明のアニオン交換体は得
られる。本発明におけるアニオン交換体の形状として
は、通常、ビーズ状のものであるが、用途により、例え
ば、繊維状、粉状、板状あるいは膜状の様な種々の形状
で用いることもできる。
【0025】通常は強度や取扱い性からして球状、例え
ば懸濁重合ないしはシード重合によって当初から球状に
重合させたものを用いるのが好ましい。大きさは任意で
あるが、通常は平均粒径10μm〜10mm、好ましく
は100μm〜5mm、より好ましくは0.5mm〜3
mmの粒状である。又、本発明のアニオン交換体は公知
の方法により、多孔性を付与したものであってもよい。
【0026】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施
例に限定されるものではない。尚、p−メチルスチレン
を用いて製造したアニオン交換体におけるスチレン換算
中性塩分解容量は、p−メチルスチレン構造におけるメ
チル基の重量を引いた重量を基準にして算出した中性塩
分解容量の値である。
【0027】〔実施例1〕p−メチルスチレン(試薬グ
レード)158.1g、ジビニルベンゼン(工業グレー
ド、純度56.5wt%)10.6g、過酸化ジベンゾ
イル(純度75%wet品)0.6gを混合し、懸濁重
合法によりビーズ状ポリマーを160.2g得た。
【0028】上記ポリマー20gにクロロメチルメチル
エーテル120gを添加し、25℃にて30分間攪拌
し、ポリマーを十分膨潤させた。その後触媒として塩化
亜鉛10gを添加し、50℃で8時間反応させてクロロ
メチル化ポリマーを得た。上記クロロメチル化ポリマー
10gをジオキサン10mlで膨潤させ、そこに30%
トリメチルアミン水溶液22mlを添加し、50℃で8
時間反応させて4級アンモニウム型アニオン交換樹脂
(Cl型)を得た。上記樹脂のスチレン換算中性塩分解
容量は4.74meq/gであった。
【0029】〔比較例1〕実施例1においてp−メチル
スチレン160.2gのかわりにスチレン139.4g
(等モル)を用いる以外は実施例1と同様の操作を行
い、4級アンモニウム型アニオン交換樹脂を得た。上記
樹脂の中性塩分解容量は4.52meq/gであった。
【0030】〔実施例2〕実施例1と同様にして、スチ
レン換算架橋度が6%となるようにp−メチルスチレン
及びジビニルベンゼンを共重合させ、4級アンモニウム
型アニオン交換樹脂を得た。上記樹脂のスチレン換算中
性塩分解容量を表1に示した。
【0031】〔比較例2〕実施例2においてp−メチル
スチレンのかわりにスチレンを用いる以外は実施例と同
様の操作を行い、架橋度6%の4級アンモニウム型アニ
オン交換樹脂を得た。上記樹脂の中性塩分解容量を表1
に示した。
【0032】〔実施例3〕実施例1と同様にして、スチ
レン換算架橋度が8%となるようにp−メチルスチレン
及びジビニルベンゼンを共重合させ、4級アンモニウム
型アニオン交換樹脂を得た。上記樹脂のスチレン換算中
性塩分解容量を表1に示した。
【0033】〔比較例3〕実施例2においてp−メチル
スチレンのかわりにスチレンを用いる以外は実施例と同
様の操作を行い、架橋度8%の4級アンモニウム型アニ
オン交換樹脂を得た。上記樹脂の中性塩分解容量を表1
に示した。
【0034】〔実施例4〕実施例1と同様にして、スチ
レン換算架橋度が10%となるようにp−メチルスチレ
ン及びジビニルベンゼンを共重合させ、4級アンモニウ
ム型アニオン交換樹脂を得た。上記樹脂のスチレン換算
中性塩分解容量を表1に示した。
【0035】〔比較例4〕実施例2においてp−メチル
スチレンのかわりにスチレンを用いる以外は実施例と同
様の操作を行い、架橋度10%の4級アンモニウム型ア
ニオン交換樹脂を得た。上記樹脂の中性塩分解容量を表
1に示した。
【0036】
【表1】
【0037】〔実施例5〕実施例1と同様にしてスチレ
ン換算架橋度4%となるようにp−メチルスチレンとジ
ビニルベンゼンとを共重合させてビーズ状ポリマーを得
た。このビーズ状ポリマーを実施例1と同様にしてクロ
ロメチル化し、クロロメチル化ポリマーを得た。
【0038】上記クロロメチル化ポリマー10gにNa
Cl 6g、脱塩水36ml、ジメチルメタノールアミ
ン20ml、トルエン26mlを加え、攪拌しながら5
0℃にて10Hr保持し、ジメチルエタノールアミン型
アニオン交換樹脂を得た。上記ジメチルエタノールアミ
ン型アニオン交換樹脂のスチレン換算中性塩分解容量を
表2に示した。
【0039】〔比較例5〕実施例5においてp−メチル
スチレンのかわりにスチレンを用いる以外は実施例5と
同様の操作を行い、架橋度4%のジメチルエタノールア
ミン型アニオン交換樹脂を得た。上記樹脂の中性塩分解
容量を表2に示した。
【0040】〔実施例6〕実施例1と同様にしてスチレ
ン換算架橋度6%となるようにp−メチルスチレンとジ
ビニルベンゼンとを共重合させてビーズ状ポリマーを得
た。このビーズ状ポリマーを実施例1と同様にしてクロ
ロメチル化し、クロロメチル化ポリマーを得た。
【0041】上記クロロメチル化ポリマー10gにNa
Cl 6g、脱塩水36ml、ジメチルメタノールアミ
ン20ml、トルエン26mlを加え、攪拌しながら5
0℃にて10Hr保持し、ジメチルエタノールアミン型
アニオン交換樹脂を得た。上記ジメチルエタノールアミ
ン型アニオン交換樹脂のスチレン換算中性塩分解容量を
表2に示した。
【0042】〔比較例6〕実施例6においてp−メチル
スチレンのかわりにスチレンを用いる以外は実施例6と
同様の操作を行い、架橋度6%のジメチルエタノールア
ミン型アニオン交換樹脂を得た。上記樹脂の中性塩分解
容量を表2に示した。
【0043】
【表2】
【0044】
【発明の効果】本発明のアニオン交換体は、交換容量が
高く、かつ機械的強度が大きく、充填塔の寸法を小さく
でき、処理能力を上げることができるという利点を有す
る。又、本発明のアニオン交換体の製造方法によれば、
交換容量が高く、かつ機械的強度が大きいアニオン交換
体を提供できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−125860(JP,A) 特開 昭53−90395(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08F 212/14 C08F 8/32

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アニオン交換体において、該交換体が下
    記一般式(a)で示される繰り返し単位を10〜99.
    9重量%及び不飽和炭化水素基含有架橋性単量体から誘
    導される繰り返し単位を0.1〜55重量%含有してな
    ることを特徴とするアニオン交換体。 【化1】 〔式中、R1 はHまたは−CH2 −N+ 2 3 4
    - を示し、R2 ,R3,R4 はそれぞれアルキル基ま
    たはアルカノール基を示し、X- はアニオンを示す。〕
  2. 【請求項2】 前記一般式(a)におけるR2 ,R3
    4 がそれぞれメチル基であることを特徴とする請求項
    1に記載のアニオン交換体。
  3. 【請求項3】 前記一般式(a)におけるR2 ,R3
    それぞれメチル基で、かつR4 がエタノール基であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載のアニオン交換体。
  4. 【請求項4】 前記不飽和炭化水素基含有架橋性単量体
    がジビニルベンゼンであることを特徴とする請求項1な
    いし請求項3のいずれかに記載のアニオン交換体。
  5. 【請求項5】 少くともp−メチルスチレンと不飽和炭
    化水素基含有架橋性単量体とを含有する単量体混合物を
    共重合して得られる架橋性共重合体をクロロメチル化
    し、次いでアミノ化することを特徴とするアニオン交換
    体の製造方法。
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