JP4192245B2 - 異形高分子微粒子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子微粒子、特にその粒子形状が真球ではなく、粒子表面に多数のくぼみ或いは鋭い突起状凸部を有するか、二連球状のダルマ形状を有している異形高分子微粒子の製造方法に関する。更に詳しくはソープフリー乳化重合法に続く沈殿重合法によりサブミクロンサイズの異形の高分子複合微粒子を製造する方法に関するものである。

高分子微粒子は、塗料や診断薬担体、分離カラム用充填材などの分野に広く利用されているが、これらの高分子微粒子は真球状のものが一般的である。しかし、近年、塗料などの白色度や光沢を高めたり、診断薬担体としての機能や分離カラム用充填剤としての機能を高めるために、前記真球状高分子微粒子とは異なる形態を有する高分子微粒子が提案されている。例えば、粒子表面に多数のくぼみを有するゴルフボール状高分子微粒子（例えば、特許文献１及び２参照。）及び円盤状の高分子微粒子（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。

この特許文献１に記載のゴルフボール状高分子微粒子は、シードポリマー粒子としてのポリスチレン粒子にアクリル酸アルキルエステル及び／又はメタクリル酸アルキルエステルをシード乳化重合させることにより得られる。
また特許文献２に記載のゴルフボール状高分子微粒子は、アクリル酸のＣ１−Ｃ８アルキルエステル、メタクリル酸のＣ１−Ｃ８アルキルエステル及び芳香族ビニルから選ばれるポリマー又はコポリマーをシード粒子として分散させた媒体に、この媒体に溶解するモノマーであって、上記ポリマー又はコポリマーとは異なり上記ポリマー又はコポリマーに比し媒体との親和性が低いか又は同等であるポリマーを与えるモノマー等をシード分散重合法により重合させることにより得られる。

更に特許文献３に記載の高分子微粒子は、媒体中にシードポリマー粒子を分散させた分散液に、表面モノマー、補助溶媒、開始剤及び分散剤を添加して、シード分散重合法により表面モノマーを重合させることにより得られる。このとき補助溶媒として、シードポリマーの貧溶媒又は非溶媒であるが、表面ポリマーの良溶媒であり、かつ媒体に部分溶解する有機溶媒を使用することが必要であって、媒体として、媒体中の貧溶媒の比率を９０重量％以上とするとともに、補助溶媒をシードポリマーの１００重量％以上使用することにより、円盤状の高分子微粒子が得られる。
この明細書において、「シードポリマー」とは異形高分子微粒子のコアを形成するポリマーをいい、「表面ポリマー」とは上記コアを被覆するシェルとなるポリマーをいう。
特開平６−２８７２４４号公報（請求項１、[0005]） 特開２００２−１７９７０８号公報（請求項１、図４） 特開２００３−２２６７０８号公報（請求項７、[0073]）

しかし、上記特許文献１に記載のゴルフボール状高分子微粒子は、その粒径がサブミクロンサイズであるけれども、微粒子表面のくぼみが浅く比表面積が小さいため、診断薬担体としての機能や分離カラム用充填剤としての機能が十分でなく改良する余地があった。またこの高分子微粒子は約１００℃になったり、各種の有機溶媒と接触すると、微粒子の形状が容易に真球状に変化する欠点があった。

また特許文献２及び３に記載の高分子微粒子は、その粒径が数ミクロンサイズと特許文献１に記載の高分子微粒子と比べて大きく比表面積が小さいため、診断薬担体としての機能や分離カラム用充填剤としての機能が十分でなく改良する余地があった。またこの高分子微粒子は約１００℃になったり、各種の有機溶媒と接触すると、微粒子の形状が容易に真球状に変化する欠点があった。

本発明の目的は、従来の高分子微粒子に比べて比表面積が大きく、診断薬担体としての機能や分離カラム用充填剤としての機能が高く、しかも約２００℃になっても或いは各種の有機溶媒に接触しても、微粒子の形状が容易に変形しないサブミクロンサイズの異形高分子微粒子を製造する方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、アクリル酸のアリールエステル、メタクリル酸のC１〜C３アルキルエステルメタクリル酸のアリールエステル及び芳香族ビニルから選ばれる少なくとも１種のラジカル重合性モノマーからなるシードモノマーを水中で第１水溶性開始剤でソープフリー乳化重合法で重合させることによりシードモノマーが重合したシードポリマー粒子を生成する第１工程と、このシードポリマー粒子を水に分散した分散液に表面モノマー及び第２水溶性開始剤を添加して、沈澱重合法で表面モノマーを重合させることにより、シードポリマー粒子の表面に表面モノマーが重合した表面ポリマーを被覆した高分子複合微粒子を得る第２工程とを含む異形高分子微粒子の製造方法である。その特徴ある点は、表面モノマーがシードモノマーと異なる水溶性モノマーであり、第２工程で分散液に溶解している表面モノマーが重合するに従ってシードポリマー粒子表面に表面ポリマーが吸着することにより、シードポリマー粒子表面に表面ポリマーが鋭い突起状凸部に形成されたランブータン（rambutan）状高分子微粒子を得ることにある。

請求項１に係る製造方法では、ソープフリー乳化重合法及び沈澱重合法を用いるためサブミクロンサイズの高分子微粒子が得られる。この第２工程で分散液に溶解している水溶性の表面モノマーが第２水溶性開始剤により重合して表面ポリマーとなり、重合とともにシードポリマー粒子表面に表面ポリマーが吸着し、これによりシードポリマー粒子表面に表面ポリマーが鋭い突起状凸部に形成される。この高分子微粒子は、従来の高分子微粒子よりその比表面積が大きくなり、診断薬担体としての機能や分離カラム用充填剤として高い機能を有する。表面ポリマーがポリアクリロニトリル又はポリメタクリロニトリルであって、ジメチルホルムアミドのような特殊な有機溶媒にしか溶解性がないため、この異形高分子微粒子は通常の有機溶媒に接触しても耐溶媒性に優れ、粒子形状が安定する。

本発明の実施の形態を説明する。
(a) 第１工程：ソープフリー乳化重合によるシードポリマー粒子の作製
このソープフリー乳化重合に用いられるシードモノマーとしては、この重合法によりポリマー粒子化する、水に僅かに溶けるか又は水に不溶性のモノマーが選ばれる。なお、この明細書で「水に僅かに溶ける」とは、３重量％以下の割合で水に溶けることをいう。具体的には、アクリル酸ベンジル、アクリル酸フェニル、等のアクリル酸のアリールエステル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ベンジル等のメタクリル酸のC１〜C３アルキルエステル又はメタクリル酸のアリールエステル、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルスチレン、ジメチルスチレン等の芳香族ビニルから選ばれる少なくとも１種のラジカル重合性モノマーが例示される。シードポリマーはこのラジカル重合性モノマーを重合して得られるポリマー又はコポリマーである。

シードポリマー粒子を作製するときの媒体としては、重合がソープフリー乳化重合法であるため、水が用いられる。所期の重合を行うため、脱イオン水が好ましい。シードモノマー１００重量部に対して水は３００〜２５００重量部が好ましく、３４０〜１２００重量部が特に好ましい。また重合を開始させるための開始剤としては、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩、２．２`−アゾビス（２−アミジノプロパン）二塩酸塩等の水溶性イオン型アゾ化合物が用いられる。この水溶性開始剤はシードモノマー１００重量部に対して０．１〜３０重量部が好ましく、０．３〜８重量部が更に好ましい。

このソープフリー乳化重合法では、シードモノマー、水及び水溶性開始剤を容器に入れて、５０〜３００ｒｐｍ程度の回転速度で攪拌機により攪拌する。重合温度は３０〜９０℃、好ましくは４０〜７０℃である。また重合時間は３〜２４時間、好ましくは５〜１０時間である。重合は、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
このソープフリー乳化重合法で作られるシードポリマー粒子の平均粒径は、サブミクロンサイズである。具体的には１００〜６００ｎｍの範囲にある。このシードポリマー粒子の平均粒径は電子顕微鏡写真の画像処理法により測定される。

(b) 第２工程：沈殿重合による高分子複合微粒子の作製
本発明の特徴ある構成は、第２工程が沈殿重合法であり、この沈殿重合に用いられる表面モノマーである。この表面モノマーはシードモノマーと異なる水溶性モノマーである。具体的には、アクリロニトリル又はメタクリロニトリルが例示される。表面ポリマーはこの表面モノマーを重合して得られるものである。表面モノマーは、第１工程で得られたシードポリマー粒子１００重量部に対して、３００〜１０００重量部が好ましく、特に４００〜７００重量部が好ましい。表面モノマーの添加量が上記下限値未満では、異形化の程度が弱いか、又は異形にならない。

この沈殿重合法では、第１工程で得られたシードポリマー粒子、表面モノマー、水及び水溶性開始剤を容器に入れる。水溶性開始剤としては、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩、２．２`−アゾビス（２−アミジノプロパン）二塩酸塩等の水溶性イオン型アゾ化合物が用いられる。この中で過硫酸塩が分散媒体である水に対する溶解性が高く、シードポリマー粒子表面により鋭い突起状凸部の表面ポリマーを形成させるため、好ましい。この水溶性開始剤は表面モノマー１００重量部に対して０．３〜１．５重量部が好ましく、０．５〜０．９重量部が更に好ましい。水溶性開始剤の添加量が上記上限値を超えると反応系が凝集しやすくなる不具合を生じる。この第２工程で分散液に溶解している水溶性の表面モノマーが水溶性開始剤により重合して表面ポリマーとなり、重合とともにシードポリマー粒子表面に表面ポリマーが鋭い突起状凸部となって吸着した高分子複合微粒子が得られる。

この高分子複合微粒子を含む液を遠心分離、濾過等により固液分離した後、固形分から水分を除去することにより、ランブータン状高分子微粒子が得られる。なお、この高分子複合微粒子をエマルジョンのままで使用するときには、上記固液分離以降の工程は不要である。本発明の製造方法における異形化は、シードポリマーと表面ポリマーが非相溶であるために、表面ポリマーがセル層を形成しながら重合固化することによる。この異形高分子微粒子の平均粒径は０．１５〜１μｍであり、突起の高さは０．０１〜０．２μｍである。ここで粒径は突起の先端を含む大きさをいう。

次に本発明の実施例を参考例及び比較例とともに説明する。
＜参考例１＞
第１工程：ソープフリー乳化重合によるポリメタクリル酸メチルシード粒子の作製
メタクリル酸メチルモノマー４５ｇ、脱イオン水１５５ｇ及び開始剤として過硫酸カリウム６０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングした。その後バブリングを止め、７０℃で５時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱してソープフリー乳化重合を行い、平均粒径が約４２０ｎｍのポリメタクリル酸メチルシードラテックスを作製した。

第２工程：ソープフリー乳化重合によるポリメタクリル酸メチル／ポリスチレン異形粒子の作製
０．６ｇの固体ポリマーを含む 所定量のポリメタクリル酸メチルシードラテックス、脱イオン水及び開始剤としての過硫酸カリウム２０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングして１３０ｍｌの分散液を調製した。その後バブリングを止め、ポリメタクリル酸メチルに対して７０モル％となる表面モノマーとしてのスチレン、及びスチレンに対して０．５モル％となる架橋剤としてのジビニルベンゼンを加え、６０℃で６時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱してソープフリー乳化重合を行い、ポリメタクリル酸メチル/ポリスチレン異形複合ラテックスを得た。この複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。

＜参考例２＞
第２工程で、ポリメタクリル酸メチルに対して７０モル％となる表面モノマーとしてのスチレン、及びスチレンに対して２．０モル％となる架橋剤としてのジビニルベンゼンを加えた以外、参考例１と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。

＜参考例３＞
第２工程で、ポリメタクリル酸メチルに対して８０モル％となる表面モノマーとしてのスチレン、及びスチレンに対して４．０モル％となる架橋剤としてのジビニルベンゼンを加えた以外、参考例１と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。この異形高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図を図１に示す。

＜比較例１＞
第２工程で、架橋剤を加えない以外、参考例１と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した複合ラテックスを得た。この複合ラテックスから水分を除去し、異形でない球状高分子微粒子を得た。

＜比較評価１＞
参考例１〜３の高分子微粒子と比較例１の高分子微粒子とをそれぞれ超薄切片にして透過型電子顕微鏡で観察した。その結果、これらの高分子微粒子はすべてポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面をポリスチレンが被覆するコア／シェル構造であった。比較例１の高分子微粒子が球状であったのに対して、参考例１〜３の高分子微粒子は金平糖状であった。これらの高分子微粒子の平均粒径、くぼみの平均深さ及び形状を表１に示す。表１から架橋剤の添加量に相応して、くぼみの深さが大きくなることが判った。また参考例１〜３の高分子微粒子を空気中で２００℃に加熱する熱変形試験と、トルエン中に浸漬する耐溶媒性試験を行った。参考例１〜３の高分子微粒子は、熱変形試験及び耐溶媒性試験において、いずれも元の形状を維持した。

＜参考例４＞
第１工程：ソープフリー乳化重合によるポリメタクリル酸メチルシード粒子の作製
メタクリル酸メチルモノマー１５ｇ、メタクリル酸メチルモノマーに対して０．５モル％となる架橋剤としてのエチレングリコールジメタクリレート、４５０ｇの脱イオン水及び開始剤として過硫酸カリウム２０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングした。その後バブリングを止め、７０℃で５時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱してソープフリー乳化重合を行い、平均粒径が約２７０ｎｍのポリメタクリル酸メチルシードラテックスを作製した。

第２工程：ソープフリー乳化重合によるポリメタクリル酸メチル／ポリスチレン異形粒子の作製
０．６ｇの固体ポリマーを含む 所定量のポリメタクリル酸メチルシードラテックス、脱イオン水及び開始剤としての過硫酸カリウム２０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングして１３０ｍｌの分散液を調製した。その後バブリングを止め、ポリメタクリル酸メチルに対して８０モル％となる表面モノマーとしてのスチレンを加え、室温で２時間ポリメタクリル酸メチルシードラテックスを膨潤させた後、６０℃で６時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱してソープフリー乳化重合を行い、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して第１球体とポリスチレンからなる第２球体が一体化したダルマ状高分子微粒子を得た。

＜参考例５＞
第１工程で、ポリメタクリル酸メチルに対して２．０モル％となる架橋剤としてのエチレングリコールジメタクリレートを加えた以外、参考例４と同様にして、ソープフリー乳化重合を行い、平均粒径が約２５０ｎｍのポリメタクリル酸メチルシードラテックスを作製した。第２工程で、参考例４と同様にして、ソープフリー乳化重合を行い、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して第１球体とポリスチレンからなる第２球体が一体化したダルマ状高分子微粒子を得た。

＜参考例６＞
第１工程で、ポリメタクリル酸メチルに対して４．０モル％となる架橋剤としてのエチレングリコールジメタクリレートを加えた以外、参考例４と同様にして、ソープフリー乳化重合を行い、平均粒径が約２６０ｎｍのポリメタクリル酸メチルシードラテックスを作製した。第２工程で、参考例４と同様にして、ソープフリー乳化重合を行い、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して第１球体とポリスチレンからなる第２球体が一体化したダルマ状高分子微粒子を得た。このダルマ状高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図を図２に示す。

＜比較例２＞
第１工程で、架橋剤を加えない以外、参考例４と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリスチレンを被覆した複合ラテックスを得た。この複合ラテックスを脱水し、異形でない球状高分子微粒子を得た。

＜比較評価２＞
参考例４〜６の高分子微粒子と比較例２の高分子微粒子とをそれぞれ超薄切片にして透過型電子顕微鏡で観察した。その結果、比較例２の高分子微粒子が球状であったのに対して、参考例４〜６の高分子微粒子はすべてポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面をポリスチレンが被覆するコア／シェル構造の第１球体とポリスチレンのみからなる第２球体が一体化したものであった。これらの高分子微粒子の平均粒径、第２球体の平均大きさ及び形状を表２に示す。表２から架橋剤の添加量に相応して、第２球体が大きくなることが判った。また参考例４〜６の高分子微粒子を空気中で２００℃に加熱する熱変形試験と、トルエン中に浸漬する耐溶媒性試験を行った。参考例４〜６の高分子微粒子は、熱変形試験及び耐溶媒性試験において、いずれも元の形状を維持した。

＜実施例１＞
第１工程：ソープフリー乳化重合によるポリメタクリル酸メチルシード粒子の作製
メタクリル酸メチルモノマー３０ｇ、脱イオン水１７０ｇ及び開始剤として過硫酸カリウム６０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングした。その後バブリングを止め、７０℃で５時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱してソープフリー乳化重合を行い、平均粒径が約３１０ｎｍのポリメタクリル酸メチルシードラテックスを作製した。

第２工程：沈殿重合によるポリメタクリル酸メチル／ポリアクリロニトリル異形粒子の作製
０．６ｇの固体ポリマーを含む 所定量のポリメタクリル酸メチルシードラテックス、脱イオン水及び開始剤としての過硫酸カリウム２０ｍｇをセパラブルフラスコに入れ、３００ｒｐｍの回転速度で攪拌しながら３０分間窒素ガスでバブリングして１３０ｍｌの分散液を調製した。その後バブリングを止め、表面モノマーとして３ｍｌのアクリロニトリルを加え、７０℃で８時間同じ回転速度で攪拌しながら加熱して沈殿重合を行った。この重合によりポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリアクリロニトリルを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。

＜実施例２＞
第２工程で、表面モノマーとして４ｍｌのアクリロニトリルを加えた以外、実施例１と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリアクリロニトリルを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。

＜実施例３＞
第２工程で、表面モノマーとして５ｍｌのアクリロニトリルを加えた以外、実施例１と同様にして、ポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面にポリアクリロニトリルを被覆した異形複合ラテックスを得た。この異形複合ラテックスから水分を除去して異形高分子微粒子を得た。この異形高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図を図３に、また透過型電子顕微鏡の写真図を図４にそれぞれ示す。

＜比較評価３＞
実施例１〜３の高分子微粒子をそれぞれ超薄切片にして透過型電子顕微鏡で観察した。その結果、実施例１〜３の高分子微粒子はすべてポリメタクリル酸メチルシード粒子の表面をポリアクリロニトリルが被覆するコア／シェル構造であった。これらの高分子微粒子の平均粒径、突起の平均高さ及び形状を表３に示す。表３からアクリロニトリルの添加量に相応して、鋭い突起が高くなることが判った。また実施例１〜３の高分子微粒子を空気中で２００℃に加熱する熱変形試験と、トルエン中に浸漬する耐溶媒性試験を行った。実施例１〜３の高分子微粒子は、熱変形試験及び耐溶媒性試験において、いずれも元の形状を維持した。

参考例３の異形高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図。 参考例６のダルマ状高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図。 実施例３の異形高分子微粒子の走査型電子顕微鏡の写真図。 実施例３の異形高分子微粒子の透過型電子顕微鏡の写真図。

Claims (3)

1. アクリル酸のアリールエステル、メタクリル酸のC１〜C３アルキルエステルメタクリル酸のアリールエステル及び芳香族ビニルから選ばれる少なくとも１種のラジカル重合性モノマーからなるシードモノマーを水中で第１水溶性開始剤でソープフリー乳化重合法で重合させることにより前記シードモノマーが重合したシードポリマー粒子を生成する第１工程と、前記シードポリマー粒子を水に分散した分散液に表面モノマー及び第２水溶性開始剤を添加して、沈殿重合法で前記表面モノマーを重合させて表面ポリマーにすることにより、前記シードポリマー粒子の表面に前記表面ポリマーを被覆した高分子複合微粒子を得る第２工程とを含む異形高分子微粒子の製造方法であって、
   前記表面モノマーが前記シードモノマーと異なる水溶性モノマーであり、
   前記第２工程で前記分散液に溶解している表面モノマーが沈澱重合するに従って前記シードポリマー粒子表面に表面ポリマーが吸着することにより、前記シードポリマー粒子表面に表面ポリマーが鋭い突起状凸部に形成されたランブータン状高分子微粒子を得ることを特徴とする異形高分子微粒子の製造方法。
2. シードポリマーがラジカル重合性モノマーを重合して得られるポリマー又はコポリマーであり、
   表面モノマーがアクリロニトリル又はメタクリロニトリルである請求項１記載の製造方法。
3. 第１及び第２水溶性開始剤が過硫酸塩又は水溶性イオン型アゾ化合物である請求項１記載の異形高分子微粒子の製造方法。