JP5460126B2 - 水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物および水系媒体の摩擦低減方法 - Google Patents

水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物および水系媒体の摩擦低減方法 Download PDF

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本発明は、水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物および水系媒体の摩擦低減方法に関する。
水等の液体を配管で送液する場合、配管内に乱流が発生し、摩擦抵抗を生じることはよく知られており、摩擦抵抗を低減させる添加剤が数多く提案されている。例えば、対イオン存在下でせん断力を加えることで棒状ミセルを形成するカチオン性界面活性剤が挙げられる(例えば、特許文献1、2を参照)。さらに、水溶性高分子と陰イオン界面活性剤の併用(例えば、特許文献3を参照)、2種以上の界面活性剤の併用(例えば、特許文献4、5を参照)等も提案されている。これらは送液に対する添加量が少量でも摩擦抵抗低減効果が認められ有効であるが、界面活性剤であるが故に、一度空気を巻き込むと激しく起泡し、さらにクーリングタワーで激しく泡立つため、開放系循環システムに用いた場合、大きな問題が発生する。起泡の問題を解決すべく、消泡剤の添加を試みると、界面活性剤の棒状ミセル形成を阻害するためか、摩擦抵抗低減効果が著しく低下するため、解決できない。
また、特定の高分子化合物も摩擦抵抗低減効果が認められている(例えば特許文献6、7を参照)。これらの高分子化合物はノニオン性であり、例えば水媒体中に長時間放置すると、水中に存在するバクテリアによって分解され、摩擦抵抗低減効果が経時で低下する問題が発生する。以上のように、開放系循環システムにおいては、満足する性能が得られていないのが現状である。
特開平8−311431号公報 特開平11−29758号公報 特開2002−20725号公報 特開2002−188074号公報 特開2003−292934号公報 米国特許第3961639号明細書 特開昭56−28262号公報
従って、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、少量添加で摩擦抵抗低減効果を発揮し、起泡抑制のために消泡剤を添加しても摩擦抵抗低減効果を維持でき、さらには水中のバクテリア等による分解が抑制された水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物を提供することを目的とする。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行なった結果、エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、官能基として4級アンモニウム塩を有し、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上である水溶性ポリマーを用いることで、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、官能基として4級アンモニウム塩を有し、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上である水溶性ポリマーを含有することを特徴とする水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物である。
水溶性ポリマーは、エチレン性不飽和単量体の全量に対して、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位10モル%以上を含有することが好ましい。
本発明は、エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、官能基として4級アンモニウム塩を有し、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上である水溶性ポリマーを含有する水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物を、水系媒体及び水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の全量に対して、固形分で0.010〜0.100質量%となるように添加することを特長とする水系媒体の摩擦低減方法に関する。また、本発明は、エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、官能基として4級アンモニウム塩を有し、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上である水溶性ポリマーを含有する水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物が、水系媒体及び水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の全量に対して、固形分で0.010〜0.100質量%となるように添加された摩擦抵抗低減剤組成物含有水系媒体に関する。
本発明によれば、少量添加で摩擦抵抗低減効果を発揮し、起泡抑制のために消泡剤を添加しても摩擦抵抗低減効果を維持でき、さらには水中のバクテリア等による分解が抑制された水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物を提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明における水溶性ポリマーは、エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、官能基として4級アンモニウム塩を有し、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上であることが特徴である。
本発明における水溶性ポリマーは、4級アンモニウム塩を導入することで、抗菌・殺菌効果により、水中のバクテリア等によるポリマーの分解が抑制されることが期待される。
4級アンモニウム塩の導入方法としては、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体を単独もしくは他のエチレン性不飽和単量体と共重合するか、もしくは3級アミノ基を含有するエチレン性不飽和単量体を単独もしくは他のエチレン性不飽和単量体と共重合した後、3級アミノ基を4級アンモニウム塩にする方法が挙げられ、これらは特に制限されるものではない。
4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートのメチルクロライド塩、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレートのメチルクロライド塩、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートのベンジルクロライド塩、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレートのベンジルクロライド塩等が挙げられるが、重合の容易さの観点からジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートのメチルクロライド塩、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレートのメチルクロライド塩が好ましく、さらにはジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートのメチルクロライド塩が好ましい。
3級アミノ基を含有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレートが挙げられ、得られる水溶性ポリマーの水に対する溶解度の観点からジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートが好ましい。3級アミノ基を4級化する方法としては、例えばメチルクロライドやベンジルクロライドの添加が挙げられる。
水溶性ポリマー中の4級アンモニウム塩の量は特に限定されないが、抗菌・殺菌効果を考慮すると、水溶性ポリマーは、エチレン性不飽和単量体の全量に対して、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位を10モル%以上、より好ましくは20〜90モル%含有することが好ましい。すなわち、エチレン性不飽和単量体の全量に対して、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体10モル%以上を重合するか、もしくは、3級アミノ基を含有するエチレン性不飽和単量体10モル%以上を重合し、3級アミノ基を4級化することによって得られる。
本発明において、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体もしくは3級アミノ基を含有するエチレン性不飽和単量体以外のエチレン性不飽和単量体として、これらのエチレン性不飽和単量体と共重合可能であり、さらに重合によって得られるポリマーが水溶性であれば特に限定されるものではない。例えば、直鎖状、分岐状または環状のアルキル鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル類、スチレン、α−メチルスチレン等の芳香族ビニル化合物、ビニルピロリドン等の複素環式ビニル化合物、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、酢酸ビニルやアルカン酸ビニルに代表されるビニルエステル類、モノオレフィン類(エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン等)、共役ジオレフィン類(ブタジエン、イソプレン、クロロプレン等)、アクリロニトリル等のシアン化ビニル化合物、アミド基もしくは置換アミド基含有α,β−エチレン性不飽和化合物(アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等)、アクロレインやダイアセトンアクリルアミド等のカルボニル基含有エチレン性不飽和単量体等が挙げられる。これらのエチレン性不飽和単量体は、1種単独もしくは2種以上を組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、得られるポリマーの水溶性および高分子量化の容易さの観点から、アクリルアミド、メタクリルアミドが好ましく、さらにはアクリルアミドが好ましい。
また、必要に応じて、グリシジル(メタ)アクリレート等のエポキシ基含有α,β−エチレン性不飽和化合物、ビニルトリエトキシシランやγ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等の加水分解性アルコキシシリル基含有α,β−エチレン性不飽和化合物、多官能ビニル化合物(エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、ジビニルベンゼン、ジアリルフタレート等)等の架橋性モノマーを共重合体に導入してもよい。
本発明において、エチレン性不飽和単量体の重合方法は、ラジカル重合、イオン重合等の公知の方法で行われ、特に限定されるものではない。
本発明における水溶性ポリマーは、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上であることが特徴である。0.5質量%水溶液粘度が1200〜2500mPa・sであることがより好ましい。液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s未満でも、若干の摩擦抵抗低減効果は認められるが、水溶性ポリマーの添加量が多く必要となり、経済的にも好ましくない。液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上の水溶性ポリマーを得るには、重量平均分子量300万以上に調整することが好ましく、600〜1500万とすることがより好ましい。水溶性ポリマーの分子量を高分子化する方法としては、ラジカル重合又はイオン重合時に使用する重合開始剤の使用量をエチレン性不飽和単量体の全量に対し、0.001〜0.5質量%としたり、ラジカル重合又はイオン重合を行なう際の重合温度を比較的低温である40〜80℃とする方法があげられる。重合開始剤は、公知のものを用いることができ、特に限定されない。
本発明の水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、消泡剤(鉱物油系、シリコーン系、ポリエーテル系単独およびこれらの混合物)、防錆剤、エチレングリコールやグリセリン等の不凍液等を添加することも可能である。棒状ミセルを形成することで摩擦抵抗低減効果を発現する従来の界面活性剤は、消泡剤を添加すると摩擦抵抗低減効果が低減する問題を抱えていたが、本発明の水溶性ポリマーは、消泡剤を添加しても摩擦抵抗低減効果は維持される点も特長と言える。
本発明の水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物は、水系媒体及び水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の全量に対して、固形分で0.010〜0.100質量%となるように添加することが好ましく、0.020〜0.080質量%となるように添加することがより好ましい。水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の添加量が固形分で0.010質量%より少ないと、摩擦低減効果が十分でなくなり、水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の添加量が固形分で0.100質量%より多いと、泡立ちが発生した場合、消泡しにくくなる傾向が見られる。
以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。実施例および比較例の物性および評価方法は以下のようにした。
(0.5質量%水溶液粘度)
0.5質量%前後の水溶液3種を調整後、JIS K 6726の粘度測定方法(20℃、ブルックフィールド粘度計、10rpm、No.3ローター)に準じて測定した。
(摩擦抵抗低減効果)
ビーカー(直径80mm×高さ105mm、目盛により300mmまで計測可能)に20℃のイオン交換水300gを入れ、マグネチックスターラーを用いて700rpmで攪拌した。本発明の水溶性ポリマーを添加していき、発生する渦の高さが0mmになるまでの水溶性ポリマー添加量を測定した。なお、水溶性ポリマーを添加しない場合は、渦の高さは40mmであった。
(消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性)
渦の高さが0mmになった状態で、疎水性シリカと鉱物油からなる消泡剤(サンノプコ株式会社製、ノプコ8034L)を0.02g添加し、5分間攪拌した後、渦が発生していないものを○、渦が再度発生したものを×とした。
(実施例1)
アクリルアミドおよびジメチルアミノエチルアクリレートメチルクロライド塩の共重合体(ダイヤニトリックス株式会社製、ダイヤフロックKP204B、エチレン性不飽和単量体の全量に対する4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量(以下、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量という)10モル%以上、0.5質量%水溶液粘度2000mPa・s)を0.8質量%水溶液に調整し添加したところ、0.8質量%水溶液26.7gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.065質量%であった。表1に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(実施例2)
アクリルアミドおよびジメチルアミノエチルアクリレートメチルクロライド塩の共重合体(ダイヤニトリックス株式会社製、ダイヤフロックKP204BS、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量10モル%以上、0.5質量%水溶液粘度2210mPa・s)を0.5質量%水溶液に調整し添加したところ、0.5質量%水溶液13.1gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.021質量%であった。表1に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(実施例3)
アクリルアミドおよびジメチルアミノエチルアクリレートメチルクロライド塩の共重合体(ダイヤニトリックス株式会社製、ダイヤフロックKP1200H、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量10モル%以上、0.5質量%水溶液粘度1300mPa・s)を0.7質量%水溶液に調整し添加したところ、0.7質量%水溶液17.3gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.038質量%であった。表1に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(実施例4)
アクリルアミドおよびジメチルアミノエチルアクリレートメチルクロライド塩の共重合体(ダイヤニトリックス株式会社製、ダイヤフロックKP205BSS、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量10モル%以上、0.5質量%水溶液粘度2220mPa・s)を0.5質量%水溶液に調整し添加したところ、0.5質量%水溶液12.5gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.020質量%であった。表2に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(実施例5)
アクリルアミドおよびジメチルアミノエチルアクリレートメチルクロライド塩の共重合体(ダイヤニトリックス株式会社製、ダイヤフロックKP1220S、4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量10モル%以上、0.5質量%水溶液粘度1750mPa・s)を0.6質量%水溶液に調整し添加したところ、0.6質量%水溶液22.1gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.041質量%であった。表2に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(比較例1)
対イオン存在下でせん断力を加えることで棒状ミセルを形成するカチオン性界面活性剤として、エチレンオキサイド付加型アンモニウムクロライド(ライオン株式会社製、エソカードO/12)、対イオンとしてサリチル酸ナトリウム(カチオン性界面活性剤の1.5モル)を混合し、10質量%に調整した。10質量%水溶液を1.0g添加すると渦の高さは0mmとなった。固形分の添加量としては、0.033質量%。その後、消泡剤を添加すると、再度渦が発生し、最終的には渦の高さが15mmとなった。表3に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
(比較例2)
ジメチルアミノエチルメタクリレートメチルクロライド塩の重合体(4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位の量100モル%、0.5質量%水溶液粘度900mPa・s)を1.3質量%水溶液に調整し添加したところ、1.3質量%水溶液28.9gで渦の高さは0mmとなった。樹脂固形分の添加量としては、0.114質量%であった。表3に摩擦抵抗低減効果、消泡剤添加時の摩擦抵抗低減効果持続性についての測定結果を示す。
Figure 0005460126
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表1及び表2に示したように、実施例1〜5で得られた水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物は、ポリマー添加量が少量で摩擦抵抗低減効果を発現し、さらに消泡剤を添加しても効果を維持していることがわかる。一方、表3の比較例1は添加量が少量で摩擦抵抗低減効果を発現しているが、消泡剤を添加すると大幅に摩擦抵抗低減効果が低下している。また、比較例2は摩擦抵抗低減効果を発揮するのに必要なポリマー添加量が多く、経済的に難がある。

Claims (3)

  1. エチレン性不飽和単量体を重合して得られ、アクリルアミド単位と、エチレン性不飽和単量体の全量に対して4級アンモニウム塩を含有するエチレン性不飽和単量体単位10モル%以上を含有し、ブルックフィールド粘度計を用いて10rpmの回転数で測定した、液温20℃条件下の0.5質量%水溶液粘度が1000mPa・s以上である水溶性ポリマーを含有することを特長とする水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物。
  2. 請求項1に記載の水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物を、水系媒体及び水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の全量に対して、固形分で0.010〜0.100質量%となるように添加することを特長とする水系媒体の摩擦低減方法。
  3. 請求項1に記載の水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物が、水系媒体及び水系媒体用配管内摩擦抵抗低減剤組成物の全量に対して、固形分で0.010〜0.100質量%となるように添加された摩擦抵抗低減剤組成物含有水系媒体。
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