JP4381595B2 - 共重合体ラテックスの製造方法 - Google Patents

共重合体ラテックスの製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙塗工における顔料バインダー、カーペットバッキング剤、接着剤、粘着剤、繊維結合剤および塗料などに用いられる共役ジエン系共重合体ラテックスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
共役ジエン系共重合体ラテックスは紙塗工における顔料バインダー、カーペットバッキング剤、各種接着剤および粘着剤、繊維結合剤ならびに塗料など広範な用途に用いられてきた。これらの用途に用いられる共重合体ラテックスには、基材や配合される顔料などに対する優れた接着力、耐水性などが要求される。
塗工紙は、抄造された紙の表面の平滑性を高め、光沢や印刷適性を向上させる目的で、原紙にカオリンクレー、炭酸カルシウム、サチンホワイト、タルク、酸化チタンなどの無機顔料およびプラスチック顔料などの有機顔料を塗布したものであり、これらの顔料のバインダーとしてジエン系共重合体ラテックスが一般的に用いられている。顔料バインダーとして用いられる共重合体ラテックス性質はは紙の表面強度はもとより、塗工紙の印刷適性にも大きな影響を及ぼすことが知られている。
【0003】
近年、カラー印刷された雑誌類やパンフレット、広告等の需要の増大に伴い、印刷速度の高速化が進められており、特にインクのタックによる紙の表面の破壊に対する抵抗性(いわゆるピック強度)や湿し水が塗布された際のピック強度(湿潤ピック強度)の向上が以前にも増して要求されるようになった。またこれに伴ってインクの乾燥条件も厳しくなったため、塗工紙の内部に残存する水分が蒸発する際の蒸気圧によって塗工紙の表面にひぶくれを生じさせるいわゆるブリスター発生に対する抵抗性(耐ブリスター性)に対する要求も厳しさを増している。ピック強度の向上と湿潤ピック強度および耐ブリスター性の向上は、一般に相反する特性であり、一方が向上すると他方が低下する関係にあるため、これらの物性を高度にバランスさせせることが求められている。
【0004】
一方、印刷用紙である塗工紙の生産においても、生産能力および生産性の向上のため、塗工速度の高速化が進められている。顔料、共重合体ラテックスおよびスターチ、カゼインなどの水溶性高分子を主成分とする塗工液においては、塗工の高速化に伴う乾燥能力の低下に対応するため、高固形分化が求められている。
塗工液の高固形分化による流動性の低下を改良するため、炭酸カルシウムの配合比率を増加するとった顔料配合面からの検討やスターチなどの増粘性の大きい水溶性バインダーを減らし、共重合体ラテックスを増加する等のバインダー面からの検討が行われている。しかし炭酸カルシウムの配合比率を高めると塗工紙の光沢が低下するという問題があり、また共重合体ラテックスの配合量を増加すると、塗工紙表面のベタツキ性が増大し、バッキングロールやカレンダーロールの汚れといった操業上の問題を発生しやすくなる。
【0005】
以上のような塗工紙の品質や塗工紙の生産に関わる問題のため、共重合体ラテックスについても様々な改良がなされてきた。例えば特定の単量体組成で二段もしくは多段で重合を行う共重合体ラテックスの改良が多数提案されている(特公昭62−58371号公報、特公昭62−31116号公報、特公昭64−2716号公報、特公昭60−19927号公報、特開平4−41502号公報、特開平7−18003号公報、特開平5−272094号公報、特開平7−247327号公報)。しかしながらこれらの発明では、塗工紙のピック強度、湿潤ピック強度および耐ブリスター性や紙塗工における耐ロール汚れ特性の向上手段としていずれも不十分なものであった。
【0006】
特開平7−324113には、特定の組成の単量体を2段階で重合する紙塗工用共重合体ラテックスの製造方法および少なくとも2つのガラス転移温度を有することを特徴とする該製造方法について開示されているが、この製造方法で得られる共重合体ラテックスでは、ピック強度の向上も不十分であり、湿潤ピック強度、耐ブリスター性および耐ベタツキ性とのバランスレベルも低い。
さらに特開2000−351803号公報には特定組成の単量体を多段重合法を用いて乳化重合するにあたり、最終段においてアクリロニトリルを含有する単量体組成物を添加して乳化重合し、最終段とその前段で添加する単量体組成から得られる共重合体の溶解性パラメータに特定の関係があるジエン系共重合体ラテックスについて開示されている。この共重合体ラテックスでは、確かに耐ベタツキ性の向上による耐ロール汚れ適性の向上や湿潤ピック強度の向上が認められるが、ピック強度や耐ブリスター性の向上が不十分であり、現在の高水準の要求を満足するものとは言い難い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような状況から、塗工紙のピック強度を大幅に向上し、湿潤ピック強度および耐ブリスター性との高度なバランスを有し、さらに耐ベタツキ性に優れて塗工紙の製造工程における耐ロール汚れ適性にも優れた性能を有するジエン系共重合耐ラテックスの製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決するため鋭意研究を重ね、特定組成の単量体を3段階以上に分割して乳化重合し、それぞれの工程における単量体の組成から得られる共重合体の溶解性パラメータおよびガラス転移温度に特定の関係を持たせるジエン系共重合体ラテックスの製造方法により、前記目的を達成し得ることを見出し、本発明をなすにいたった。
【0009】
すなわち、本発明は(イ)共役ジエン系単量体10〜80重量%、(ロ)エチレン系カルボン酸単量体0.5〜10重量%、(ハ)シアン化ビニル単量体1〜50重量%および(ニ)共重合可能な他の単量体5〜88.5重量%からなる単量体の合計100重量部のうち、(A)20〜70重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第一工程、(B)5〜40重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第二工程、および(C)10〜75重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第三工程の3段階に分割して乳化重合することによる共重合体ラテックスの製造方法であって、各工程において用いる単量体から得られる重合体の溶解性パラメータ(SPa、SPbおよびSPc)ならびに第一工程および第三工程において用いる単量体から得られる重合体のガラス転移温度(TgaおよびTgc)が下記式(1)、(2)および(3)を満たすことを特徴とする共重合体ラテックスの製造方法である。
SPa<SPb<SPc (1)
SPc−SPa≧0.5 (2)
Tga <Tgc (3)
【0010】
本発明について、以下具体的に説明する。
本発明における(イ)共役ジエン系単量体は共重合体に柔軟性を与え接着力、衝撃吸収性を与えるために必須の成分であり、全単量体の重量に基づき10〜80重量%、好ましくは25〜75重量%の割合で用いられる。この使用量が10重量%未満では、共重合体が硬く脆くなって接着力が低下し、80重量%を超えると共重合体が柔らかくなりすぎ接着力および耐ベタツキ性が低下する。共役ジエン系単量体の好ましい例としては、1,3−ブタジエン、イソプレン、2−クロロ−1,3−ブタジエンなどがあげられ、これらは1種または2種以上が組み合わせて用いられる。
【0011】
本発明における(ロ)エチレン系不飽和カルボン酸単量体は、共重合体ラテックスに必要な分散安定性を与え、接着力を高めるための必須成分であり、全単量体の重量に基づき0.5〜10重量%、好ましくは1〜5重量%の割合で用いられる。この使用量が0.5重量%未満では共重合体ラテックスに必要な分散安定性を与えることが困難であり、顔料混和時および塗工工程においてさまざまな問題が発生する。この使用量が10重量%を超えると共重合体の粘度が高くなりすぎ、耐水性も低下する。エチレン系カルボン酸単量体の好ましい例としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸などがあげられ、これらは1種または2種以上が組み合わせて用いられる。
【0012】
本発明における(ハ)シアン化ビニル単量体は、耐ベタツキ性および湿潤ピック強度の向上に必須の成分であり、全単量体の重量に基づき1〜50重量%、好ましくは5〜40重量%の割合で用いられる。この使用量が1重量%未満では、本発明の目的である耐ベタツキ性や湿潤ピック強度の向上効果が得られず、50重量%を超えると共重合体ラテックスの重合安定性が低下する。シアン化ビニル単量体の好ましい例としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロルアクリロニトリルなどがあげられ、これらは1種または2種以上が組み合わせて用いられる。
【0013】
本発明においては(ニ)共重合可能な他の単量体が必須である。この共重合可能な他の単量体を適宜選択することにより、共重合体ラテックスにさまざまな特性を付与できる。共重合可能な他の単量体の好ましい例としては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、p−メチルスチレンなどの芳香族ビニル単量体、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−エチルヘキシルなどのアクリル酸アルキルエステル類、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチルなどのメタクリル酸アルキルエステル類、アクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチルなどのヒドロキシアルキルエステル類、アクリル酸アミノエチル、アクリル酸ジメチルアミノエチル、アクリル酸ジエチルアミノエチルなどのアミノアルキルエステル類、2−ビニルピリジン、4−ビニルピリジンなどのピリジン類、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジルなどのグリシジルエステル類、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N−メチルメタクリルアミド、グリシジルメタクリルアミド、N,N−ブトキシメチルアクリルアミドなどのアミド類、酢酸ビニルなどのカルボン酸ビニルエステル類、塩化ビニルなどのハロゲン化ビニル類などがあげられ、これらは1種または2種以上が組み合わせて用いられる。
【0014】
本発明では、これらの単量体単量体の合計100重量部を少なくとも(A)20〜70重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれる少なくも1種以上の単量体を重合する第一工程、(B)5〜40重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれる少なくも1種以上の単量体を重合する第二工程、および(C)10〜75重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれる少なくも1種以上の単量体を重合する第三工程の3段階に分割して乳化重合し、各工程において用いる単量体から得られる重合体の溶解性パラメータ(SPa、SPbおよびSPc)ならびに第一工程および第三工程において用いる単量体のから得られる重合体のガラス転移温度(TgaおよびTgc)が下記式(1)、(2)および(3)を満たすことが必要である。
SPa<SPb<SPc (1)
SPc−SPa≧0.5 (2)
Tga <Tgc (3)
【0015】
第一工程で用いる好ましい単量体の量は25〜60重量部、第二工程で用いる好ましい単量体の量は10〜30重量部、第三工程で用いる好ましい単量体の量は21〜60重量部であり、SPc−SPaの値の好ましい範囲は0.7以上である。
さらに(A)、(B)および(C)の各段階の組成における(ハ)シアン化ビニル単量体の占める重量分率Ra、RbおよびRcが、下記式(4)を満たすことが好ましい。
Ra≦Rb<Rc (4)
【0016】
このような重合方法により、本発明の効果が発現する理由は必ずしも明確ではないが、ガラス転移温度が低く衝撃吸収性に優れ溶解性パラメータの小さい重合体成分、中間的な性質を有する重合体成分およびガラス転移温度が高く耐水性、耐ベタツキ性に優れ溶解性パラメータの大きい重合体成分が順次重合されることにより、相溶性または相分離性のバランスから、断面が同心円状に近いラテックス粒子内部構造を形成することによりかかる効果を発現するものであることが予想される。
【0017】
なお各工程において用いる単量体の組成から得られる重合体の溶解性パラメータSPa、SPbおよびSPcは、Robert F.Fedorsが規定する方法(POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE,1974,Vol.14,No.2,147−154ページ)により、各組成および単量体の構造から算出できる。また第一工程および第三工程において用いる単量体の組成から得られる重合体のガラス転移温度TgaおよびTgcは、例えば示差走査熱量計または動的粘弾性測定装置などにより測定できる。
【0018】
本発明における乳化重合の方法については特に制限はなく、水性媒体中で界面活性剤の存在下、ラジカル開始剤により重合を行なうなど公知の方法を用いることができる。
使用する乳化剤についても特に制限はなく、従来公知のアニオン、カチオン、両性および非イオン性の界面活性剤を用いることができる。好ましい界面活性剤の例としては、脂肪族セッケン、ロジン酸セッケン、アルキルスルホン酸塩、ジアルキルアリルスルホン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルアリル硫酸塩などのアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル、ポリオキシエチレンオキシプロピレンブロックコポリマーなどのノニオン性界面活性剤があげられ、これらは単独または2種以上を組み合わせて用いられる。
【0019】
ラジカル開始剤は、熱または還元剤の存在下でラジカル分解して単量体の付加重合を開始させるものであり、無機系開始剤、有機系開始剤のいずれも使用することが可能である。好ましい例としてはペルオキソニ硫酸塩、過酸化物、アゾビス化合物などがあり、具体的にはペルオキソニ硫酸カリウム、ペルオキソニ硫酸ナトリウム、ペルオキソニ硫酸アンモニウム、過酸化水素、t−ブチルヒドロペルオキシド、過酸化ベンゾイル、2,2−アゾビスブチロニトリル、クメンハイドロパーオキサイドなどがあげられ、これらは単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。また酸性亜硫酸ナトリウム、アスコルビン酸やその塩、エリソルビン酸やその塩、ロンガリットなどの還元剤を重合開始剤と組み合わせて用いるいわゆるレドックス重合法を用いることもできる。
【0020】
本発明では、ラジカル重合において通常用いられる公知の連鎖移動剤を用いることが可能である。連鎖移動剤の好ましい例としては核置換α−メチルスチレンの量体のつであるα−メチルスチレンダイマー、n−ブチルメルカプタン、t−ブチルメルカプタン、n−オクチルメルカプタン、n−ラウリルメルカプタンなどのメルカプタン類、テトラメチルチウラジウムジスルフィド、テトラエチルチウラジウムジスルフィドなどのジスルフィド類、四塩化炭素、四臭化炭素などのハロゲン化誘導体、2−エチルヘキシルチオグリコレートなどがあげられ、これらは単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。連鎖移動剤の添加方法にも特に制限はなく、一括添加、回分添加、連続添加など公知の添加方法が用いられる。
【0021】
本発明では、必要に応じて公知の各種重合調整剤を用いることができる。これらはたとえばpH調整剤、キレート剤などであり、pH調整剤の好ましい例としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムなどがあげられ、キレート剤の好ましい例としてはエチレンジアミン四酢酸ナトリウムなどがあげられる。
本発明の製造方法による共重合体ラテックスの固形分、粒子径についても特に制限はなく、通常固形分は30〜60重量%、粒子径は0.04〜0.4μm、好ましくは0.05〜0.2μmの範囲に調製される。粒子径の調整のため公知のシード重合法を用いることも可能であり、シードを作製後同一反応系内で共重合体ラテックスの重合を行うインターナルシード法、別途作製したシードを用いるエクスターナルシード法などの方法を適宜選択して用いることができる。
【0022】
本発明の製造方法による共重合体ラテックスには、必要に応じて各種添加剤を添加することあるいは他のラテックスを混合して用いることが可能であり、例えば分散剤、消泡剤、老化防止剤、耐水化剤などを添加すること、アルカリ感応型ラテックス、プラスチック顔料などを混合して用いることもできる。
本発明を実施例に基づいて説明する。
【0023】
【発明の実施の形態】
【0024】
【実施例1】
攪はん装置と温度調節用のジャケットを備える耐圧反応容器にイオン交換水165重量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.8重量部、亜硫酸水素ナトリウム0.3重量部を仕込み内温を45℃に上昇した。さらにスチレン(St)15重量%、ブタジエン(Bd)70重量%およびアクリロニトリル(AN)15重量%からなる単量体混合物45重量部と連鎖移動剤としてt−ドデシルメルカプタン(t−DDM)0.45重量部を仕込み、さらにペルオキソ二硫酸ナトリウム1重量部をイオン交換水5部に溶解したものを仕込んで、内温を45℃に保持したまま7時間反応を継続した。その後内温を60℃まで上昇し、スチレン32重量%、ブタジエン50重量%およびアクリロニトリル18重量%よりなる単量体混合物15重量部にt−ドデシルメルカプタン0.15重量部を混合したものを2時間かけて一定速度で反応容器内に添加し、さらにスチレン37重量%、ブタジエン20重量%、メタクリル酸メチル(MMA)20重量%、アクリロニトリル20重量%、アクリル酸(AA)1重量%、イタコン酸(IA)2重量%からなる単量体40重量部とt−ドデシルメルカプタン0.4重量部、α−メチルスチレンダイマー(α−MSD)0.2重量部、イオン交換水30重量部を6時間かけて一定速度で反応容器内に添加した。内温を65℃に上昇して5時間反応を継続したのち冷却して反応生成物を採取した。得られた反応性生物から未反応単量体を除去し、水酸化ナトリウムと水酸化カリウムの1:1混合物でpHを8に調製し、固形分を50重量%になるまで濃縮した。以上のようにしてえられた共重合体ラテックスを共重合体ラテックスaとする。
【0025】
【実施例2,3】
実施例1と同様な方法により、表1に示す単量体および連鎖移動剤を用いて共重合体ラテックスbおよびcを得た。
【0026】
【比較例1〜4】
実施例1と同様な方法により、表1に示す単量体および連鎖移動剤を用いて共重合体ラテックスd〜gを得た。
【0027】
【実施例4〜6】
共重合体ラテックスa〜cを用いて下記の配合で紙塗工用の塗工液を調製した。
(塗工液配合処方)
カオリンクレー 70 重量部
重質炭酸カルシウム 30 重量部
ポリアクリル酸ナトリウム 0.2重量部
水酸化ナトリウム 0.1重量部
リン酸エステル化でんぷん 2.5重量部
共重合体ラテックス 12 重量部
水(塗工液の全固形分が64重量%となるように添加)
【0028】
なお、カオリンクレーとしてはウルトラホワイト90(ENGELHARD社製)、炭酸カルシウムとしてはカービタル90(ECC社製)、ポリアクリル酸ナトリウムとしてはアロンT−40(東亞合成社製)およびリン酸エステル化でんぷんとしてはMS−4600(日本食品加工社製)をそれぞれ使用した。
得られた塗工液を坪量75g/m2の上質塗工原紙に塗工量が片面12g/m2となるように両面ブレード塗工し、23℃、65%RHの恒温恒湿室にて12時間調湿した。これをスーパーカレンダー装置により、ロール温度50℃、線圧147000N/mの条件で片面2回づつ通紙し、塗工紙のサンプルを得た。共重合体ラテックスおよびこの塗工紙のサンプルについて下記の方法により物性を評価した結果を表2に示す。
【0029】
(耐ベタツキ性)
マイラーフィルムに共重合耐ラテックスをNo.12のワイヤーバーで塗布して130℃で30秒乾燥した。このフィルムを黒ラシャ紙と重ね合わせ、温度60℃、線圧19600N/mのスーパーカレンダーを通過させた後、黒ラシャ紙を剥離する。この黒ラシャ紙繊維のラテックスフィルムのベタツキによる転移状態を目視評価した。評価は10点評価法で行ない、転移の少ないものほど高得点とした。
【0030】
(ピック強度)
RI印刷試験機(明製作所)を用い、中央部に塗工紙(1.5cm×20cm)を並べて貼った台紙(30cm×25.5cm)に、印刷インク(東華色素社製、商品名:SDスーパーデラックス50紅B(タック18)0.5mlを25cm×21cmの印刷面積で台紙ごと塗工紙に重ね刷りした。ゴムロールに現れたピックの発生状態を別の台紙に転写して目視評価した。評価は10点法で行ないピックの発生が少ないものほど高得点とした。
【0031】
(湿潤ピック強度)
ピック強度と同様な方法でモルトンロールで水を塗布した塗工紙に1回刷りで印刷を行ないゴムロールに現れたピックの発生状態を別の台紙に転写して目視評価した。評価は10点法で行ないピックの発生が少ないものほど高得点とした。
(耐ブリスター性)
塗工紙を適当な大きさに裁断し、その試験片を所定の温度に調節したシリコンオイルバスに浸漬し、ブリスターが発生するか否かを観察した。オイルバスの温度を変化させながら同様に試験を行ない、各塗工紙についてブリスターの発生する温度を測定した。発生温度が高いものほど耐ブリスター性に優れる。
【0032】
【比較例5〜8】
共重合体ラテックスd〜gについても実施例4〜6と同様な方法により塗工紙のサンプルを調製し、共重合体ラテックスおよび塗工紙の物性評価を行なった。その結果を表2に示す。
表2から明らかなように、本発明の共重合耐ラテックスの製造方法による共重合体ラテックスa〜cはピック強度に優れ、湿潤ピック強度および耐ブリスター性もバランス良く優れており、さらに耐ベタツキ性もきわめて良好である。これに比較してSPbが小さく本発明の範囲外にある共重合体ラテックスd、第二工程がないため本発明の範囲外にある共重合体ラテックスe、SPaとSPcの差が本発明の範囲外である共重合体fおよびTgaがTgbより高く本発明の範囲外である共重合体ラテックスgではいずれもピック強度が大幅におとり、湿潤ピック強度、耐ブリスター性および耐ベタツキ性のバランスもきわめて低い。
【0033】
【表1】
Figure 0004381595
【0034】
【表2】
Figure 0004381595
【0035】
【発明の効果】
本発明の共重合体ラテックスの製造方法は、塗工紙のピック強度に大幅に優れ、湿潤ピック強度および耐ブリスター性においても非常に高いバランスを有し、しかも塗工紙の製造工程における耐ロール汚れ適性にかかわる耐ベタツキ性においてもきわめて優れた性能を有する共重合体ラテックスを与えるという効果を有する。

Claims (2)

  1. (イ)共役ジエン系単量体10〜80重量%、(ロ)エチレン系カルボン酸単量体0.5〜10重量%、(ハ)シアン化ビニル単量体1〜50重量%および(ニ)共重合可能な他の単量体5〜88.5重量%からなる単量体の合計100重量部のうち、(A)20〜70重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第一工程、(B)5〜40重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第二工程、および(C)10〜75重量部の(イ)〜(ニ)から選ばれた少なくとも1種以上の単量体を重合する第三工程の3段階に分割して乳化重合することによる共重合体ラテックスの製造方法であって、各工程において用いる単量体から得られる重合体の溶解性パラメータ(SPa、SPbおよびSPc)ならびに第一工程および第三工程において用いる単量体から得られる重合体のガラス転移温度(TgaおよびTgc)が下記式(1)、(2)および(3)を満たすことを特徴とする共重合体ラテックスの製造方法。
    SPa<SPb<SPc (1)
    SPc−SPa≧0.5 (2)
    Tga <Tgc (3)
  2. (A)、(B)および(C)の各段階の組成における(ハ)シアン化ビニル単量体の占める重量分率Ra、RbおよびRcが、下記式(4)を満たすことを特徴とする請求項1記載の共重合体ラテックスの製造方法。
    Ra≦Rb<Rc (4)
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