JP4810697B2 - ビニルアルコールコポリマーの製造 - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明
発明の背景
ビニルアルコール(VOH)と副量の遊離酸形または遊離酸の塩としての2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)とのコポリマーは当技術分野で知られており、多様な用途に有用である:たとえば所定バッチの石鹸および洗剤の容器に成形できる冷水可溶フィルムの製造、新しい衣類を初めて洗濯する前の一時的な糊付け、ならびに石油掘削用途における油井の統合性を維持するために用いられるコンクリート支柱をコンクリート硬化前に一時的に支えるためにこれらのコポリマーを使用できる。
これらのコポリマーを先行技術方法により製造する際の問題は、重合AMPSの含量が十分に高いコポリマーを製造し、一方では満足すべき生産性レベルを維持し、かつ組成ドリフト、すなわちコポリマーのAMPS含量がバッチ毎に許容できないほど変動するのを避けるのが、困難なことである。したがって、重合AMPSが十分に負荷されたVOH/AMPSコポリマーを製造でき、それと共に比較的高い生産性をもち、かつ組成ドリフトの低い方法が、さらに望まれている。
発明の概要
本発明によれば、ビニルアルコール(VOH)と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸または該酸の塩(AMPS)とのコポリマーを、下記を含む工程により製造する方法が提供される:コモノマーとしての酢酸ビニル(VAM)およびAMPS、フリーラジカル生成型重合開始剤、ならびに該コモノマー類の溶媒、開始剤、ならびに該コモノマー類の共重合により得られるコポリマーを、撹拌下で連続供給し、得られた反応物をこの第1反応帯域内に、第1反応帯域に供給したAMPSの主割合が重合するのに十分な滞留時間の間、重合条件下で保持し、第1反応帯域からの反応物をAMPSの追加供給下で第2反応帯域へ連続供給し、反応物を、第2反応帯域に追加したAMPSの主割合が重合するのに十分な滞留時間の間、第2反応帯域内に保持し、第2反応帯域から反応物を連続的に取り出し、後者の反応物からVAMとAMPSのコポリマーを分離し、コポリマー中のアセテート基の主割合を加水分解および/またはアルコーリシスによりけん化してVOHとAMPSのコポリマーを形成する。
発明の詳細な記述
前記方法を実施する際、VAMとのコモノマーは、遊離酸形のAMPS、またはこの遊離酸形のナトリウム塩、カリウム塩、もしくはアンモニウム塩であってよい。
VAcとAMPSまたはAMPの塩との共重合に用いられる、フリーラジカル生成型重合開始剤は、たとえば2−エチルヘキシルペルオキシジカーボネート(Trigonox EHP)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、t−ブチルペルオキシネオデカノエート、ビス(4−t−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカーボネート、ジ−n−プロピルペルオキシジカーボネート、ジ−n−ブチルペルオキシジカーボネート、ジ−セチルペルオキシジカーボネート、ジ−s−ブチルペルオキシジカーボネートであってよい。フリーラジカルを生成できる開始剤は、本質的にいずれも使用できる。
所望により、連鎖移動剤としてのアセトアルデヒド(AcH)を、他の成分と共に第1反応帯域へ連続供給することができる。AcHの量は、たとえば供給するVAMとAcHの合計を基準として最高約0.2wt%であってよい。
コモノマーVAMおよびAMPSの溶媒、重合開始剤、および2つの反応帯域で形成されるコポリマーを、一般にこのプロセスで使用する。適切な溶媒は、たとえばメタノール、エタノールまたはプロパノールである。好ましい溶媒はメタノールである。
両反応帯域へ連続供給するAMPSの量は、たとえば供給するVAMとAMPSの合計を基準として約1〜約20wt%、好ましくは約4〜15wt%である。第1反応帯域と第2反応帯域へ供給するAMPSの”スプリット”、すなわち量比は、たとえば約55:45〜約80:20であってよい。
第1反応帯域へ供給する重合開始剤の量は、たとえば供給するVAMの質量を基準として約0.0001〜約1wt%であってよい。
第1反応帯域へ供給する溶媒の量は、たとえば供給するVAMの質量を基準として約10〜約40wt%であってよい。重合開始剤は、好ましくは第1反応帯域へ、溶媒中の溶液として、溶液の質量を基準として約0.1〜約10wt%の溶媒中濃度で供給される。
第1反応帯域へ供給した成分の、第1反応帯域における平均滞留時間は、たとえば約30〜約120分間、好ましくは約45〜約70分間であってよい。
第1反応帯域の反応温度は、たとえば約55〜約85℃、好ましくは約60〜約80℃である。
第2反応帯域へ供給した第1反応帯域からの流出物中の成分および追加AMPSの第2反応帯域における平均滞留時間は、いずれの12時間の期間についても、たとえば約30〜約120分間、好ましくは約45〜約70分間であってよい。
第2反応帯域の反応温度は、たとえば約55〜約85℃、好ましくは約60〜約80℃であってよい。
各反応帯域の圧力は、たとえば約1〜約30psi、好ましくは約3〜約15psiであってよい。
第1および第2反応帯域における滞留時間および温度は、一般に系に供給したAMPSが実質的にすべて重合するのに十分なものである。ただし、系に添加したVAMの小割合が未重合のままであってもよい。
第2反応帯域からの流出物中のポリマー固形分は、たとえば約40〜約85%、好ましくは約55〜約75%であってもよく、実測ポリマー固形分と系に添加したモノマー量に等しい理論ポリマー固形分から計算した転化率は約70〜約99%、好ましくは約80〜約98%であり得る。第2反応帯域から得られたコポリマーの分子量を、メタノール中15wt%溶液の粘度により示したものは、たとえば約4〜約200cps、好ましくは約7〜約30cpsである。
VOH/AMPSコポリマーを生成するけん化工程を実施する際には、第2反応帯域からの流出物を、たとえばストリッピングカラムへ供給して、より揮発性の高い成分、たとえば未反応VAMを、VAMとAMPSのコポリマーから分離する。次いで、得られた「ペースト」を強塩基、たとえば水酸化ナトリウム水溶液(たとえば約10〜約50wt%の水酸化ナトリウムを含有)と混合して、塩基を苛性モル比(caustic mole ratio、CMR、コポリマー中のアセテートのモル数に対する塩基のモル数の比)約0.01〜約0.1にする。所望により、ある量の揮発性アルコール、たとえばメタノールをも添加して、ペースト中の固形分を約30〜約65wt%に低下させる。次いで、得られた物質をほぼ室温(RT、約22℃)ないし約50℃の温度で、たとえば約5分間ないし約24時間反応させると、たとえば約70〜約99+%、好ましくは約80〜約95%の範囲のコポリマー中のアセテート基からヒドロキシル基への加水分解率が得られる。
VOHとAMPSのけん化コポリマーは、たとえば約1〜約8モル%の重合AMPS(ポリAMPS)、約1〜約20モル%の重合VAM(PVAc)、および約75〜約98モル%の重合ビニルアルコール(PVOH)、好ましくは約2〜約4モル%のポリAMPS、約5〜約10モル%のPVAc、および約85〜約95モル%の重合PVOHを含有してもよく、C13 NMRにより示される加水分解度は、たとえば約70%ないし約99+%、好ましくは約80%〜約95%であり得るし、VOHコポリマーの4%水溶液の粘度により示される相対分子量は、たとえば約3〜約30cps、好ましくは約7〜約10cpsであり得る。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するものである。実施例1〜11は、種々のプロセス条件下での連続法による、VAMと2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸コポリマーのナトリウム塩(SAMPS)とのコポリマーの調製を記載する。
還流凝縮器、機械的撹拌機および供給ラインを備えた直列のジャケット付き2Lガラス反応器2個を用いて重合を実施した。反応器1に、酢酸ビニル(VAM)[若干例においてはアセトアルデヒド(AcH)を含有]、ジ(エチルヘキシル)ペルオキシジカーボネート(EHP)開始剤を含有するメタノール、およびSAMPSを、それぞれ別個の供給ラインとして、計量ポンプにより連続供給した。正確な供給速度を確保するために、各供給物を秤に乗せ、経時的な質量差を測定することにより供給速度を調べた。SAMPSは、組成ドリフトを最小にするために、同様に第2反応器へも連続供給された(反応器1と反応器2間のスプリットは75:25であった)。表1に、各試験の供給速度、ならびに開始剤およびアルデヒドの濃度を挙げる。反応器1の温度は60℃、反応器2の温度は64℃であった。滞留時間は、各反応器において1時間であった。反応器2から排出されるポリマー溶液をオルダーショー(Oldershaw)カラムへ供給し、メタノール蒸気により残留酢酸ビニルを除去した。重合を確実にラインアウトするために、各試験を12時間実施した。
Figure 0004810697
表2に、実施例においてSAMPSと酢酸ビニルの重合により得た結果を示す。これには、メタノール中15%溶液の粘度として示したポリマーの相対分子量、反応器2における実測固形分(%)、ならびに実測ポリマー固形分(%)と理論固形分(%)から計算した転化率(かっこ内の数値)が含まれる。
Figure 0004810697
表2に酢酸ビニルおよびSAMPSからポリマーへの全転化率を示す。モノマーからコポリマーへの転化率に比例するこれらの理論固形分を基準として、転化率は83〜98%である。いずれの試験においても、C13 NMRにより残留SAMPSは検出されなかった。
VAM/SAMPSコポリマーのけん化は、反応器2からの流出物からVAMをストリッピングするために用いたオルダーショーカラムから得たペーストを、50wt%NaOH水溶液により、固形分が35wt%となるようにメタノールでさらに希釈して種々の値の苛性モル比(CMR)で処理することにより達成された。実施例12〜17は、実施例3のVAM/SAMPSコポリマーについて実施した種々のけん化条件の効果を表わすものであり、結果を表3に示す。
Figure 0004810697
RT=室温
苛性モル比(CMR)は、ポリマーが100%PVAcであると仮定して計算された。CMR計算に際しては少量のco−AMPSを無視した。
前記のように、50%NaOHをペーストに添加する際に固形分が35%となるのに十分なMeOHで希釈した。このNaOH/MeOHを室温で手によりペーストに混入した(10〜20分間混合)。40℃でのけん化により約1分間の混合後にゲル化した。次いでペーストを前記の表に示す時間および温度で反応させた。実施例12〜17に記載したものと同様なけん化処理を実施例1〜11のポリマーについて実施した。
表4は、表1および2の各実施例について、けん化ポリマーの組成および特性を示す。これには重合SAMPS(SAMPS)、重合VAM(PVAc)および重合ビニルアルコール(PVOH)のモル%、ならびにC13 NMRにより示される加水分解度、4%水溶液の粘度により示される相対分子量、ならびに滴定により示される加水分解度が含まれる。
Figure 0004810697
13 NMR分光分析を用いて、コポリマーの組成およびコポリマー中のSAMPSのランダム性を調べた。SAMPS供給速度が、コポリマーへのSAMPS負荷量を制御するための唯一の変数であった。
表1〜4のデータは、本発明の連続法を用いて、比較的高いAMPS負荷量、高い転化率および生産性、高い加水分解度、および比較的低い組成ドリフトで、VOHとAMPSのコポリマーが得られることを示す。
より一般的には、本発明は酢酸ビニル/アクリルアミドまたはアクリルアミド誘導体のコポリマーを製造するための連続法を含む。アクリルアミドまたはアクリルアミド誘導体モノマーおよびそれらを含むコポリマーを、本明細書においては便宜上それぞれアクリルアミド類コモノマーおよびアクリルアミド類コポリマーと呼ぶ。したがって本発明によれば、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを製造するための、下記を含む方法が提供される:(a)酢酸ビニルおよびより反応性のアクリルアミド類コモノマーを含む反応混合物を反応帯域へ連続供給し、そこで酢酸ビニルとアクリルアミド類コモノマーを少なくとも部分的に消費して、中間反応混合物を形成し;(b)中間反応混合物に、より反応性のアクリルアミド類コモノマーに富む流れを連続供給し、この追加アクリルアミド類コモノマーを中間反応混合物と共重合させて、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマー生成物を形成し;そして(c)酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマー生成物を連続的に回収する。

Claims (38)

  1. ビニルアルコール(VOH)と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸または該酸の塩(AMPS)とのコポリマーを製造する方法であって、
    コモノマーとしての酢酸ビニル(VAM)およびAMPS、フリーラジカル生成型重合開始剤、ならびに該コモノマー類の溶媒、開始剤、ならびに該コモノマー類の共重合により得られるコポリマーを、撹拌下で連続供給する工程と、
    得られた反応物をこの第1反応帯域内に、第1反応帯域に供給したAMPSの主割合が重合するのに十分な滞留時間の間、重合条件下で保持する工程と、
    第1反応帯域からの反応物をAMPSの追加供給下で第2反応帯域へ連続供給し、反応物を、第2反応帯域に追加したAMPSの主割合が重合するのに十分な滞留時間の間、第2反応帯域内に保持する工程と、
    第2反応帯域から反応物を連続的に取り出す工程と、
    後者の反応物からVAMとAMPSのコポリマーを分離する工程と、
    コポリマー中のアセテート基の主割合を加水分解および/またはアルコーリシスによりけん化してVOHとAMPSのコポリマーを形成する工程と、
    を含む方法。
  2. 供給するVAMとACHの合計を基準として最高0.2重量%のアセトアルデヒド(AcH)を第1反応帯域へ連続供給する、請求項1に記載の方法。
  3. 溶媒がメタノール、エタノールまたはプロパノールである、請求項1に記載の方法。
  4. 溶媒がメタノールである、請求項3に記載の方法。
  5. 両反応帯域へ供給するAMPSの全量が、供給するVAMとAMPSの合計を基準として1〜20重量%である、請求項1に記載の方法。
  6. AMPSの全量が4〜15重量%である、請求項5に記載の方法。
  7. 第1反応帯域へ供給する溶媒の量が、供給するVAMの重量を基準として10〜40重量%である、請求項1に記載の方法。
  8. 第1および第2反応帯域へ供給した成分の、これらの反応帯域における平均滞留時間が、30〜120分間である、請求項1に記載の方法。
  9. 前記平均滞留時間が45〜70分間である、請求項8に記載の方法。
  10. 第1および第2反応帯域の反応温度が55〜85℃である、請求項1に記載の方法。
  11. 前記反応温度が60〜80℃である、請求項10に記載の方法。
  12. 各反応帯域の平均反応圧力が1〜30psiである、請求項1に記載の方法。
  13. 前記反応圧力が3〜15psiである、請求項1に記載の方法。
  14. 第1および第2反応帯域における滞留時間および温度により、系に供給したAMPSが実質的にすべて重合する、請求項1に記載の方法。
  15. 第2反応帯域からの流出物が40〜85%の実測ポリマー固形分を有し、この実測ポリマー固形分と系に添加したモノマー量に等しい理論ポリマー固形分から計算した転化率が70〜99%である、請求項1に記載の方法。
  16. メタノール中の15重量%コポリマー溶液の粘度により示される第2反応帯域から得られたVAM/AMPSコポリマーの相対分子量が、4〜30cpsである、請求項1に記載の方法。
  17. 転化率が80〜98%である、請求項16に記載の方法。
  18. けん化したVOHとAMPSのコポリマーが、1〜8モル%の重合AMPS(ポリAMPS)、1〜20モル%の重合VAM(PVAc)、および75〜98モル%の重合VOH(PVOH)を含有し、C13 NMRにより示される加水分解度が70%ないし少なくとも99%であり、VOHコポリマーの4%水溶液の粘度により示される相対分子量が3〜30cpsである、請求項1に記載の方法。
  19. けん化コポリマーが、2〜4モル%のポリAMPS、5〜10モル%のPVAc、および85〜95の重合PVOHを含有し、加水分解度が80%〜95%であり、VOHコポリマーの4%水溶液の粘度が7〜10cpsである、請求項18に記載の方法。
  20. ビニルアルコール/アクリルアミド類コポリマーを製造するための方法であって、
    (a)酢酸ビニルモノマーおよびアクリルアミド類モノマーを含む反応混合物を第1反応帯域へ供給し、そこで酢酸ビニルモノマーとアクリルアミド類モノマーを少なくとも部分的に共重合させて、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを含む第1反応生成物を形成する工程と;
    (b)第1反応生成物を第2反応帯域へ移す工程と;
    (c)アクリルアミド類モノマーを含む流れを、第1反応生成物の存在下で第2反応帯域へ供給し、この流れの中のアクリルアミド類モノマーの少なくとも一部を第1反応生成物と共重合させて、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを含む第2反応生成物を形成する工程と;
    (d)第2反応帯域で生成した酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーの少なくとも一部をけん化して、ビニルアルコール/アクリルアミド類コポリマーを形成する工程と、を含む方法。
  21. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーとアセトアルデヒドの全重量を基準として最高0.2重量%のアセトアルデヒドを含む、請求項20に記載の方法。
  22. 反応混合物が溶媒およびフリーラジカル重合開始剤を含む、請求項21に記載の方法。
  23. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーとアクリルアミド類モノマーの全重量を基準として1.0〜20.0重量%のアクリルアミド類モノマーを含む、請求項22に記載の方法。
  24. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーの全重量を基準として4.0〜15.0重量%のア
    クリルアミド類モノマーを含む、請求項23に記載の方法。
  25. 第1反応帯域における反応混合物成分の平均滞留時間が30〜120分間である、請求項24に記載の方法。
  26. 第2反応帯域における第1反応生成物の平均滞留時間が45〜70分間である、請求項25に記載の方法。
  27. 第1および第2反応帯域の温度が55〜85℃である、請求項26に記載の方法。
  28. 第1および第2反応帯域の平均圧力が1〜30psiである、請求項26に記載の方法。
  29. ビニルアルコール/アクリルアミド類コポリマーが、70%〜99%の加水分解度および3〜30cpsの粘度を有し、1〜8モル%の重合したアクリルアミド類モノマー、1〜20モル%の重合した酢酸ビニルモノマー、および75〜98モル%の重合ビニルアルコールを含む、請求項25に記載の方法。
  30. 酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを製造するための方法であって、
    (d)酢酸ビニルモノマーおよびアクリルアミド類モノマーを含む反応混合物を第1反応帯域へ供給し、そこで酢酸ビニルモノマーとアクリルアミド類モノマーを少なくとも部分的に共重合させて、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを含む第1反応生成物を形成する工程と;
    (e)第1反応生成物を第2反応帯域へ移す工程と;
    (f)アクリルアミド類モノマーを含む流れを、第1反応生成物の存在下で第2反応帯域へ供給し、この流れの中のアクリルアミド類モノマーの少なくとも一部を第1反応生成物と共重合させて、酢酸ビニル/アクリルアミド類コポリマーを含む第2反応生成物を形成する工程と、
    を含む方法。
  31. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーとアセトアルデヒドの全重量を基準として最高0.2重量%のアセトアルデヒドを含む、請求項30に記載の方法。
  32. 反応混合物が溶媒およびフリーラジカル重合開始剤を含む、請求項31に記載の方法。
  33. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーとアクリルアミド類モノマーの全重量を基準として1.0〜20.0重量%のアクリルアミド類モノマーを含む、請求項32に記載の方法。
  34. 反応混合物が酢酸ビニルモノマーの全重量を基準として4.0〜15.0重量%のア
    クリルアミド類モノマーを含む、請求項33に記載の方法。
  35. 第1反応帯域における反応混合物成分の平均滞留時間が30〜120分間である、請求項34に記載の方法。
  36. 第2反応帯域における第1反応生成物の平均滞留時間が45〜70分間である、請求項35に記載の方法。
  37. 第1および第2反応帯域の温度が55〜85℃である、請求項36に記載の方法。
  38. 第1および第2反応帯域の平均圧力が1〜30psiである、請求項37に記載の方法。
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