JP5506175B2 - (メタ)アクリル酸系重合体の製造方法 - Google Patents
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上述したような洗剤ビルダーは、その構造から無機ビルダー、多価カルボン酸塩、高分子カルボン酸塩に大別されるが、単位重量あたりの性能に優れることから、現在の主流は高分子カルボン酸塩である。なお、洗剤ビルダーの洗浄効果の指標としては、例えば、カルシウムイオン捕捉能や、高分子カルボン酸塩には泥汚れなどの汚れ粒子の分散能(クレー分散能)が用いられている。
洗剤ビルダーとしての高分子カルボン酸塩としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等の不飽和カルボン酸系(共)重合体などの水溶性重合体が知られている。
従来公知の(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法(バッチ式)では、例えば、1種または2種以上の水溶性の単量体成分のほか、重合開始剤(例えば、過硫酸塩)や連鎖移動剤(例えば、重亜硫酸塩)などの添加剤成分を、重合温度まで加熱しておいた溶媒(水)中に所定時間かけて滴下し、その後一定の時間(熟成時間)をかけて重合を完結させる。その後、使用用途に応じて重合終了後に反応液を放冷し、中和剤を反応液に徐々に滴下して所定の中和度またはpHに調整して、所望の重合体を水溶液の形態で得ている(特許文献1および特許文献2)。なお、反応に用いられる各成分は、必要に応じて反応容器内に予め仕込まれる場合もある(初期仕込み)。
(メタ)アクリル酸系重合体(水溶液)の製造は、連続式で行なわれる場合もある。例えば、モーションレスミキサーとリサイクルタンクを備え、これらが配管により接続されたループ型反応器を使用し、該反応器に単量体や重合開始剤を供給しつつ、かつループ内から循環液の一部を排出ラインを通じて排出しながら製造する、水溶性重合体の連続的製造方法が知られている(特許文献3)。該文献によれば、洗剤ビルダー等として有用な、分子量が低くて、かつ分子量分布の狭い水溶性重合体を連続的に製造できる旨開示されている。しかし、上記方法では、バッチ式の重合に比べて、装置が複雑なこと、重合開始から系が安定するまでの間、所望の重合体を得られないことから、多品種の製品の生産には適しないとの制約がある。また、得られる重合体の性能を安定させる為には供給や循環液の抜き出し量や、配管内を循環する反応液の局所的な温度制御を厳密に行なう必要がある等の制約がある。
そこで、本発明は、簡便なバッチ式の製造方法にも適用可能であり、得られる重合体のクレー分散能等の洗剤ビルダーや無機微粒子としての特性をより一層向上させうる(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法は、(メタ)アクリル酸を反応釜に添加して(メタ)アクリル酸系重合体を製造する重合方法において、重合中に少なくとも一度(メタ)アクリル酸の添加速度を変更し、好ましくは該速度の変更は重合開始後30分以内に行なわれ、少なくとも一の速度変更の際に、変更前の添加速度が変更後の添加速度より小さいことを特徴とする(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法である。
好ましい形態においては、上記(メタ)アクリル酸は、連続的に重合釜に添加される、(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法である。
[製造方法]
本発明の製造方法は、概説すれば、重合反応器(反応器、或いは反応釜とも言う)でバッチ式で(メタ)アクリル酸の重合を行う方法であり、(メタ)アクリル酸は重合中に連続して重合反応器に添加され、(メタ)アクリル酸の添加速度は少なくとも一回変化する。少なくとも一回の添加速度の変更の際に、変更前の添加速度は変更後の添加速度より小さい。
以下、本発明の製造方法について、詳細に説明する。
[単量体成分]
重合工程では、重合反応器内で、開始剤の存在下、(メタ)アクリル酸を含む単量体成分をバッチ式で重合する。これにより、(メタ)アクリル酸系重合体が得られる。
本工程において用いられる単量体成分は、(メタ)アクリル酸系重合体を製造することができる1種または2種以上の単量体からなるものであればよく、特に制限されない。少なくとも(メタ)アクリル酸(以下、「単量体(I)」とも称する)を含有するものであればよいが、必要があれば(メタ)アクリル酸に共重合可能な水溶性モノエチレン性不飽和単量体(以下、「単量体(II)」とも称する)および/または他の単量体(以下、「単量体(III)」とも称する)が含まれていてもよい。ここでいう単量体は、単量体成分で構成されるものであって、重合の際に用いる他の成分である溶媒や開始剤その他の添加剤は含まない。
単量体(I)としては、具体的には、アクリル酸、メタクリル酸である。これらは、1種単独であってもよいし、組み合わせてもよい。好ましくは、アクリル酸が単独で、またはメタクリル酸と所定比率で混合された混合物の形態で用いられる。
単量体成分中の単量体(I)の配合量は、単量体成分の全量に対して、好ましくは50〜100モル%であり、より好ましくは70〜100モル%であり、さらに好ましくは90〜100モル%である。単量体(I)の配合量が50モル%以上であれば、キレート能および分散能に優れた重合体が得られる。一方、上限については、100モル%、すなわち全量(メタ)アクリル酸であってもよい。さらに、単量体(I)としてアクリル酸およびメタクリル酸を併用する場合には、メタクリル酸の配合量は、単量体成分の全量に対して、好ましくは25モル%以下であり、より好ましくは10モル%であり、さらに好ましくは1〜5モル%である。メタクリル酸の配合量が25モル%以下であれば、製造コストを低く抑えることができる。
単量体(III)もまた、後述する溶媒(好ましくは有機溶媒を含む)に溶解されて単量体(III)の溶液の形態で用いられうる。単量体(III)溶液として用いる場合の当該溶液中の単量体(III)の濃度は、好ましくは10〜100質量%であり、より好ましくは20〜95質量%であり、さらに好ましくは30〜90質量%である。単量体(III)溶液の濃度が10質量%以上であれば、製品の濃度低下が防止され、輸送および保管が簡便となる。一方、上限については特に制限されず、100質量%(すなわち、全量)単量体(III)、すなわち、無溶媒であってもよい。
単量体(I)、(II)、(III)の一部は、重合開始前に重合反応器に仕込んでもかまわない(初期仕込みという)。しかし、重合体(I)の使用量の内、少なくとも70質量%以上は重合開始後に添加することが好ましく、さらに好ましくは90質量%以上、最も好ましくは100質量%(すなわち全量)を重合開始以降に添加することが好ましい。
単量体(II)、(III)に関しては、単量体(I)との共重合速度に応じて、滴下時間を調節することが、組成がより均一な共重合体が得られることから好ましい。単量体(I)と比較して、重合速度が遅い単量体は、単量体(I)より添加終了時間が早くなるように設定することが好ましい。重合速度が著しく遅い単量体は、全量初期仕込みとしても構わない。
単量体成分の重合に際して、反応系内の圧力は、特に限定されない。常圧(大気圧)下、減圧下、加圧下のいずれの圧力下であってもよい。好ましくは、重合中、亜硫酸ガスの放出を防ぎ、低分子量化を可能にするため、常圧または、反応系内を密閉し、加圧下で行うのがよい。また、常圧(大気圧)下で重合を行うと、加圧装置や減圧装置を併設する必要がなく、また耐圧製の反応容器や配管を用いる必要がない。このため、製造コストの観点からは、常圧(大気圧)が好ましい。すなわち、得られる(メタ)アクリル酸系重合体の使用目的によって、適宜最適な圧力条件を設定すればよい。
まず、本発明の製造方法を実施するために好適に用いられる反応装置について説明する。本発明の製造方法において用いられる反応装置は、重合反応器(重合反応釜)と、重合反応器に単量体(1)を添加するための供給経路を有する。その他の形態について特に制限はない。
重合工程(該当する場合には中和工程を含む)に必要な温度、圧力、流量などの測定装置、制御装置などが適宜設けられていることが好ましい。
前記の通り、上記単量体(I)の添加速度の変更は、重合開始時から30分以内に行なわれることが好ましい。速度変更前の重合段階(以下、一段目の重合段階とも言う)の好ましい実施形態を詳述する。
速度変更後の単量体に対する重合開始剤の添加速度(連鎖移動剤を使用する場合は重合開始剤と連鎖移動剤の合計の添加速度)は、単量体1molを添加する時間に対して1.9〜19gを添加する速度であることが好ましい。より好ましくは3.9〜14gであり、さらに好ましくは4.9〜11gであり、特に好ましくは5.0〜8.5gである。単量体1molを添加する時間に対して19gを超えると、低分子量の副生成物が増加して、得られる(メタ)アクリル酸系重合体のクレー分散能等が低下する傾向にある。一方、単量体1molに対して1.9gを下回ると得られる(メタ)アクリル酸系重合体のクレー分散能等が低下する傾向にある。
上述した通り、重合工程では、重合は、酸性条件下(重合中の反応溶液の25℃でのpHが1〜6であり、重合中の中和度が1〜25モル%である)で行われることが好ましい。かような形態では、重合が終了した後に、後処理として適当なアルカリ成分を適宜添加することにより、得られる(メタ)アクリル酸系重合体を部分的にまたは完全に中和して、重合体の中和度(最終中和度)を所定の範囲に設定する。
重合体の最終中和度は、その使用用途によって異なるため特に制限されず、1〜100モル%の極めて広範囲に設定可能である。例えば、素肌に優しいといわれている弱酸性洗剤などに、洗剤ビルダーとして利用するような場合には、酸性のまま中和せずに使用してもよい。また、中性洗剤やアルカリ洗剤などに使用するような場合には、後処理としてアルカリ成分で中和して中和度90モル%以上に中和して使用してもよい。特に酸性の重合体として使用される場合の重合体の最終中和度は、好ましくは1〜75モル%であり、より好ましくは5〜70モル%である。また、中性・アルカリ性の重合体として使用される場合の重合体の最終中和度は、好ましくは75〜100モル%であり、より好ましくは85〜99モル%である。なお、中性・アルカリ性の重合体として使用される場合の重合体の最終中和度が99モル%以下であれば、重合体水溶液の着色が防止されうる。
中和工程で用いられうるアルカリ成分としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物;水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどのアルカリ土類金属の水酸化物;アンモニア、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどの有機アミン類で代表されるようなものが挙げられる。上記アルカリ成分は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
中和剤の供給形態は、特に制限されないが、局所的に急激に大量の中和熱が発生するのを防止する観点からは、適当な溶媒に溶解して中和剤溶液の形態で供給することが好ましい。ただし、中和剤のみ(すなわち、無溶媒の形態)で供給してもよい。中和剤溶液として用いる場合の溶液濃度は、使用目的に応じて適宜決定され、特に制限されない。
中和剤の供給方法もまた、特に限定されないが、重合反応器内に中和剤の供給経路を通じて供給、好ましくは先端ノズル部より連続的に滴下する方法が好ましい。また、中和剤成分が2種以上の場合には、別々の供給経路を通じてそれぞれの中和剤成分を供給するのが好ましい。ただし、別々の供給経路を途中で合流させ、各中和剤成分を混合して反応器内に供給するようにしてもよいし、供給元の貯蔵タンク内で予め各中和剤成分を混合して1つの供給経路を通じて供給するようにしてもよい。
中和剤の供給速度は使用目的に応じて適宜決定され、特に制限されない。
上述したように、本発明の製造方法の実施に用いられる反応装置は、外部循環経路および除熱装置を有することが好ましい。よって、装置上の制約から、重合工程と中和工程の一部または全部とを同一の反応装置で行なうことが好ましい。重合工程と中和工程とを別々の反応装置において行なうと、設備コストが増大し、これに伴って製品コストも増加する虞がある。
本発明の製造方法により得られる(メタ)アクリル酸系重合体は、不可避的不純物が混入しうること以外は純粋な重合体のみの形態であってもよいし、上述したように水溶液重合によって得られる場合などには、水溶液の形態であってもよい。
本発明の製造方法により得られる重合体(水溶液)は、その特徴を活かして、洗剤ビルダー、洗剤組成物、無機顔料分散剤、スケール防止剤、キレート剤、繊維処理剤、木材パルプ漂白助剤等の用途に用いられうる。各種用途での使用時には、それぞれの使用目的に応じて、その他の原料を配合すればよい。
両性界面活性剤としては、特には限定されないが、例えば、カルボキシ型またはスルホベタイン型両性界面活性剤等が挙げられ、カチオン界面活性剤としては、特には限定されないが、例えば、第4級アンモニウム塩等が挙げられる。
固形分は、熱風乾燥機を用いて1gの(共)重合体溶液を170℃で1時間乾燥させた後の不揮発分とした。詳細には、予め秤量したアルミカップ(質量をA(g)とする)に1gの(共)重合体溶液を採取してカップごと秤量し(質量をB(g)とする)、純水3gを加えて希釈した後、170℃の熱風乾燥機中で1時間乾燥させた。その後、デシケータ中で5分間放置した後に秤量した(質量をC(g)とする)。下記数式1に従って、固形分を算出した。
〔重量平均分子量(Mw)〕
GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)により以下の条件の下で測定した。
カラム:G−3000PWXL(東ソー株式会社製)
カラム温度:35℃
移動相:リン酸水素二ナトリウム12水和物34.5gおよびリン酸二水素ナトリウム2水和物46.2g(いずれの試薬も特級であった。また、以下の各種測定に用いた試薬は全て特級であった。)に純水を加えて全量を5,000gとし、その後、フィルター孔径0.45μmのメンブランフィルターで濾過した水溶液
検出器:UV(波長:214nm)
流量:0.5mL/min
検量線:ポリアクリル酸ナトリウム標準サンプル(創和科学社製)
〔クレー分散能〕
1)まず、グリシン67.56g、塩化ナトリウム52.6g、1mol/L水酸化ナトリウム水溶液60mLにイオン交換水を加えて600gとしたグリシン緩衝溶液を調製した。
2)また、塩化カルシウム・2水和物を0.3268g、および上記の1)で調製したグリシン緩衝溶液60gをそれぞれ秤量し、さらにイオン交換水を加えて1000gとして、分散液を調製した。
3)一方、得られた重合体の水溶液(pH7に調整)を、固形分換算濃度で0.1質量%となるように調製した。
4)試験管に、JIS試験用粉体I、8種(関東ローム、微粒:日本粉体工業技術協会製)のクレー0.3gを入れ、上記の2)で調製した分散液27g、上記の3)で調製した水溶液3gを添加した。この際、試験液のカルシウム濃度は炭酸カルシウム換算で200ppmであった。
5)試験管をパラフィルムで密封した後、クレーが全体に分散するように軽く振り、その後さらに上下に20回振った。
6)この試験管を直射日光の当たらないところに20時間静置し、その後分散液の上澄みをホールピペットで5mL採取した。
7)この液をUV分光器を用いて、波長380nm、1cmのセルで吸光度(ABS)を測定し、この値をクレー分散能とした。
重合釜(SUS製)と、当該重合釜に備えられた温度計、撹拌機(パドル翼)、外部留出物循環経路、ジャケット、供給経路(重合用組成物用および中和剤用)、並びに、外部循環冷却装置(外部反応液循環経路および除熱装置)を有する反応装置を準備した。
続いて、重合釜に、各供給経路を通じて先端ノズルより、純水270.3部、およびモール塩0.012部を流下して仕込んだ。その後、重合釜内の水溶液を撹拌しながら、常圧下、外部ジャケットにより水溶液の温度を85℃まで昇温させた。
なお、本製造は、2バッチ連続して上記製造方法によりポリアクリル酸ナトリウム水溶液を製造した際(バッチ間での釜洗浄なし)の2バッチ目である。
実施例1において、1段目の80%AAおよび2段目の80%AAの添加に代えて、80%AAを689.4g、35%SBSと同時に滴下を開始して180分間に亘って添加する他は、実施例1と同様にしてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(C1−1)を得た。得られた水溶液(C1−1)中のポリアクリル酸ナトリウムの中和度は97.0%であり、水溶液(C1−1)の固形分濃度(理論値)は46質量%であった。
なお、本製造は、実施例1と同様に2バッチ連続して上記製造方法によりポリアクリル酸ナトリウム水溶液を製造した際(バッチ間での釜洗浄なし)の2バッチ目である。
比較例1において、35%SBSを113.8部、175分間に亘って添加するのに代えて、35%SBSを129.1部、175分間に亘って添加する他は、比較例1と同様にしてポリアクリル酸ナトリウム水溶液(C2−1)を得た。得られた水溶液(C2−1)中のポリアクリル酸ナトリウムの中和度は97.0%であり、水溶液(C2−1)の固形分濃度(理論値)は46質量%であった。
なお、本製造は、実施例1と同様に2バッチ連続して上記製造方法によりポリアクリル酸ナトリウム水溶液を製造した際(バッチ間での釜洗浄なし)の2バッチ目である。
実施例1と比較例2で得られた同じ分子量の重合体のクレー分散能を比較した結果を表2に示した。結果を比較すると、重合釜に(メタ)アクリル酸を添加して(メタ)アクリル酸系重合体を製造する方法において、重合初期に、アクリル酸の添加速度を小(遅い)から大(速い)へ変化させることにより、最終的に得られる(メタ)アクリル酸系重合体(水溶液)のクレー分散能が著しくに向上することが示された。
また、本発明の方法によれば、バッチ重合において、次のバッチ重合前に洗浄工程を入れなくても、高いクレー分散能を発現する(メタ)アクリル酸系重合体が製造できることが示された。
以上のことから、本発明によれば、洗剤ビルダーのクレー分散能をより一層向上させうる手段が提供されることが示された。
111 撹拌機、
113 外部ジャケット、
115 外部循環経路、
117 除熱装置、
119 供給経路、
121 先端ノズル部、
123 タンク、
125 反応液抜き出し経路。
Claims (2)
- (メタ)アクリル酸を反応釜に添加して(メタ)アクリル酸系重合体を製造する重合方法において、
重合中に少なくとも一度(メタ)アクリル酸の添加速度を変更し、
該添加速度の変更は重合開始後30分以内に行なわれ、
少なくとも一の速度変更の際に、変更前の添加速度が変更後の添加速度より小さいことを特徴とする(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法。 - 該速度の変更は、速度変更前の(メタ)アクリル酸の添加速度が、速度変更後の(メタ)アクリル酸の添加速度に対し、1.1倍以上、4.0倍以下であることを特徴とする請求項1記載の(メタ)アクリル酸系重合体の製造方法。
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