JP5531950B2 - 架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、沈殿重合においては、重合開始直後から生成する重合体が溶媒に不溶なため、重合反応が進むにつれて、重合体が溶媒から沈殿析出してくる。この沈殿析出した重合体は一般的に凝集し易く、凝集した重合体は反応容器の壁面や攪拌翼に付着し、また、反応混合物の懸濁液粘度が非常に高いものとなる。その結果、最終製品である重合体粉末の粒度が大きくなり、場合によっては、塊状となって粉末化できないという問題を発生させる。
また、付着物の生成は、熱伝導の低下による未反応単量体の増加、付着領域での過熱による重合体品質のバラツキ、生産収量の低下などの問題を発生させ、さらに、不均化された熱伝導による溶媒の突沸なども起こりえる。
上記のとおり、沈殿重合では反応中に重合体が析出してくるため、反応器容量に対する単量体の仕込み量が少ない状態で反応を行なう必要があり、そのため、工業的生産性が悪くなるという問題がある。
しかしながら、上記特定な界面活性剤は重合体に残留するため、水溶液の濁りや諸物性への影響が懸念される。
さらに、特定な界面活性剤や特定な溶媒を使用しても、析出重合に関する上記問題点の根本的な解決策にはなっていない。
しかしながら、単量体を分割添加するだけでは、析出重合に関する上記問題点の根本的な解決策にはなっていない。
しかしながら、軸流型の攪拌翼とは極めて広い範囲を含んでおり、架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造における攪拌翼について、具体的に開示されていない。
本発明における架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体には、水に完全に溶解するか、架橋しているために水には完全に溶解せずにマイクロゲル状に膨潤するものがあり、目視ではマイクロゲル状の粒子の存在が観察できないものを含む。
これらの中でも、アクリル酸またはそのナトリウム塩が好ましく、市場からの入手が安価でかつ容易であることも好ましい理由である。
これらの中でも、テトラアリルオキシエタンおよびペンタエリスリトールトリアリルエーテルが好ましく用いることができる。
過酸化物としては、例えば、過酸化ベンゾイル、ラウロイルパーオキシド、t−ブチルハイドロパーオキシド、ジ(2−エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエートなどの有機過酸化物、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウムおよび過硫酸アンモニウムなどが挙げられる。
これらの中でも、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)および2,2’−アゾビスイソブチロニトリルが好ましく用いることができる。
逆に、ラジカル重合開始剤を2.0質量部より多く使用すると、重合が急激に進むため、重合反応の制御が難しくなり、場合によっては制御が出来ない恐れもある。仮に重合反応が制御できたとしても、ポリマー鎖が短くなるため、増粘水溶液の粘度が低くなってしまう結果となる傾向が強い。
これらのラジカル重合開始剤は、重合反応の進行に伴って分割して添加することもできる。
これらの中でも、炭素数4〜12個の脂肪族炭化水素類が好ましく、n−ヘキサンおよびシクロヘキサンが特に好ましい。また、エステル類である酢酸エチルも好ましく用いられる。
架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体は、重合終了後、反応時に使用した有機溶剤をろ過または遠心分離などで除去した後に、さらに加熱により有機溶剤を除去して粉末状の形状で得ることもできる。
前記のとおり、析出重合では、重合反応が進行するにつれて、架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体が有機溶剤中に析出する。この沈殿物を出来る限り均一に攪拌しないと有機溶剤に溶解している単量体との成長反応が阻害され、重合度の低い重合体が生成するため、最終製品である重合体粉末の水溶液粘度が低くなる恐れがある。
上記第1攪拌翼は、回転軸付近の液を外側に押し出す役割がある、その翼の形状は特に問わず、パドル翼、アンカー翼、後退翼等が挙げられるが、これらの中でもアンカー翼が好ましく用いられる。また、この第1攪拌翼の翼数は2〜6枚であり、好ましくは2〜4枚であり、さらに好ましくは2枚である。5枚以上では翼重量の増加のわりには攪拌効率の増大が小さくなり、1枚では回転した際の過重バランスをとることが困難となり、かつ攪拌効率も不十分となって、いずれも好ましくない。
この第2攪拌翼の翼数は2〜8枚であり、好ましくは3〜6枚である。9枚以上では翼重量の増加のわりには攪拌効率の増大が小さくなり、1枚では回転した際の過重バランスをとることが困難となり、かつ攪拌効率も不十分なものとなり、いずれも好ましくない。なお、第2攪拌翼は前記第1攪拌翼の上側に設置されるものである。
複数配設する場合の第2攪拌翼のいずれもが、その翼の形状は特に問わず、パドル翼、タービン翼、アンカー翼等が挙げられるが、いずれもがパドル翼であるものが好ましく用いられる。
また、反応液は重合反応の進行に伴って粘度が高くなるので、その反応液粘度の上昇に応じて攪拌翼の回転数を上昇させることにより、撹拌効果を高めることができる。
メジアン径が0.5μmより小さいと重合スラリーの粘度が高くなり撹拌が困難となる。一方、メジアン径が50μmを超えると、架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の水に対する溶解時間が遅くなる傾向にあり好ましくない。また、中和水溶液の表面の滑らかさが悪くなる恐れがある。
さらに、未反応の単量体を減少させ、得られる重合体中の残存単量体を減少させるために、主たる重合反応が終了しスラリー状の反応生成が得られた後、ラジカル重合開始剤を添加して、さらに加熱することにより、未反応の単量体を重合させることが望ましい。
本発明の製造方法で得られる架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の残存単量体の量は、5,000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは2,000ppm以下であり、さらに好ましくは1,000ppm以下である。
残存単量体の量が5,000ppmを超える場合は、最終製品の安全性の面で好ましくない。
減圧乾燥機は、内部に攪拌ペラを持ったものが好ましく、横型あるいはナウター型などが使用される。
加圧ろ過型の減圧乾燥機も使用可能であるが、ろ布などのろ材への詰まりが発生しやすいため、ろ材の交換が煩雑である。さらに、ろ材の交換時には残留する溶剤による火災の危険もあるため、好ましい方法とは言えない。
なお、実施例1〜8および比較例3により得られた反応生成物である重合体粉末について、以下に示す試験方法により物性評価を行った。
1000mlビーカーに、イオン交換水200gを計量し、マグネチックスターラーで攪拌しながら、0.4gの重合体粉末を徐々に添加する。全量添加後、ゆっくりと攪拌を継続し、重合体粉末の全量が溶解したのを確認した後、10N−NaOH水溶液を0.4ml添加しよく攪拌する。pHが6.5〜8.5の範囲であることを確認したら、温度25℃における粘度を、BH型粘度計(ローター番号;No.6、回転数;20rpm、測定時間;30秒後)にて測定する。
50mlメスフラスコに重合体粉末を1.2g秤量した後、メチルイソブチルケトンを約30ml添加する。つぎに、内部標準液(酢酸ブチル1.0gにメチルイソブチルケトンを加え、全量を100mlにした液)を2ml加えた後、さらに、メタノールを4mlを添加する。その後、メチルイソブチルケトンで全量が50mlとなるように添加し、よく振った後15分間以上静置する。静置後、孔径0.50μmのメンブランフィルターで濾過し、濾液を1μl採取して、ガスクロマトグラフにて測定する。
(ガスクロ測定条件)
測定機器:(株)島津製作所製ガスクロマトグラフ「GC−2014」
キャリアガス:純窒素(純度99.9995%以上)
カラム:信和化工(株)製キャピラリーカラム「ULBON HR−20M」(内径=0.25mm、長さ=30m、液相の膜厚=0.5μm)
INJ温度:160℃
検出器温度:250℃
カラム初期温度:70℃×5.5min
カラム昇温速度:20℃/min
カラム最終温度:200℃×12.0min
キャリアガス流量:27.0ml/min
レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて、重合体粉末を0.5g程度採取し、測定装置のターンテーブル上の溝にセットする。ブランク測定を行った後、バキュームにより重合体粉末を測定装置内部へ送り込み、粒度分布測定を行う。
(測定装置)
(株)島津製作所製 レーザ回折式粒度分布測定装置SALD−2100
粒度測定範囲:0.03〜1000μm
光源:半導体レーザ(波長680nm,出力3mV)
図1に示す45度の4枚パドル翼を2段有する攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、119kgのn−ヘキサン、21kgの酢酸エチル、34kgのアクリル酸および170gのテトラアリルオキシエタンを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
外温を78℃に設定して昇温させ、約2時間還流状態を保持した後に、温度40℃まで冷却した。還流前の混合液体をカールフィッシャー水分計で測定したところ、500ppmの水分が含まれていたが、還流2時間後は、水分値は170ppmまで低減していた。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が60〜61℃となるように外温を調節し、内温が安定した後に、4.5gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、その白濁確認から12時間は、内温を60〜63℃にコントロールした。
白濁から3時間後、6時間後、9時間後に各2.3gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)をそれぞれ1kgの酢酸エチルに溶解して投入して反応を継続した。さらに白濁から12時間後に23gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入(追触)し、外温を75℃で5時間密閉加圧状態を保持した後に、冷却してスラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の割合は、98%であった。
なお、攪拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
溶剤の留出量が少なくなったら、内部の圧力を徐々に下げていった。
内圧が0.02MPa以下を示して溶剤の留出が見られなくなったら、外温を90℃以上125℃以下に昇温して溶剤の留出が完全になくなるのを確認し、目的の反応生成物である重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図2に示す攪拌翼を用いた以外は実施例1と同様にして、4.5gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、内温を60〜63℃にコントロールしていたが、時間の経過とともに、反応器内のスラリーの混合状態が悪くなった。
白濁から3時間後に2.3gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。そのおよそ1時間後に、突然、反応器の底部から突き上げるような強い振動とともにスラリーが激しく突沸したため、緊急冷却および重合禁止剤を投入して重合を中止した。
図3に示す45度の2枚パドル翼を交互に2段有する攪拌翼とした以外は実施例1と同様にして、重合工程および乾燥工程を行い、目的の反応生成物である重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、実施例1と同様に良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図4に示す45度の4枚パドル翼を有する攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、105kgのn−ヘキサン、18.5kgの酢酸エチル、30kgのアクリル酸および150gのテトラアリルオキシエタンを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
外温を78℃に設定して昇温させ、約2時間還流状態を保持した後に温度40℃まで冷却した。還流前の混合液体をカールフィッシャー水分計で測定したところ、500ppmの水分が含まれていたが、還流2時間後は、水分値は160ppmまで低減していた。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が60〜61℃となるように外温を調節し、内温が安定した後に4gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、その白濁確認から12時間は、内温を60〜63℃にコントロールした。
白濁から3時間後、6時間後および9時間後に、各2gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)をそれぞれ1kgの酢酸エチルに溶解して投入して反応を継続した。さらに白濁から12時間後に、20gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入(追触)し、外温を75℃で5時間密閉加圧状態を保持した後に、冷却してスラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の割合は86%であった。
なお、攪拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図5に示す45度の小型4枚パドル翼を有する攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、93kgのn−ヘキサン、22.5kgのアクリル酸および113gのテトラアリルオキシエタンを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
外温を78℃に設定して昇温させ、約2時間還流状態を保持した後に温度40℃まで冷却した。還流前の混合液体をカールフィッシャー水分計で測定したところ、300ppmの水分が含まれていたが、還流2時間後は、水分値は120ppmまで低減していた。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が60〜61℃となるように外温を調節し、内温が安定した後に3gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、その白濁確認から12時間は、内温を60〜63℃にコントロールした。
白濁から3時間後、6時間後、9時間後に各1.5gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)をそれぞれ1kgの酢酸エチルに溶解して投入して反応を継続した。さらに白濁から12時間後に15gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入(追触)し、外温を75℃で5時間密閉加圧状態を保持した後に、冷却してスラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の比率は、およそ68%であった。
なお、攪拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図2に示す攪拌翼を用いた以外は実施例4と同様にして、3gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、内温を60〜63℃にコントロールしていたが、時間の経過とともに、反応器内のスラリーの混合状態が悪くなった。
白濁から3時間後に1.5gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。そのおよそ1.5時間後に、反応器の底部付近で軽い振動を伴い、スラリーが突沸したため、緊急冷却および重合禁止剤を投入して重合を中止した。
図2に示す攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、52.5kgのn−ヘキサン、9.3kgの酢酸エチル、15kgのアクリル酸および75gのテトラアリルオキシエタンを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
外温を78℃に設定して昇温させ、約2時間還流状態を保持した後に温度40℃まで冷却した。還流前の混合液体をカールフィッシャー水分計で測定したところ、500ppmの水分が含まれていたが、還流2時間後は、水分値は150ppmまで低減していた。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が60〜61℃となるように外温を調節し、内温が安定した後に2gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、その白濁確認から12時間は、内温を60〜63℃にコントロールした。
白濁から3時間後、6時間後、9時間後に各1gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)をそれぞれ1kgの酢酸エチルに溶解して投入して反応を継続した。さらに白濁から12時間後に10gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入(追触)し、外温を75℃で5時間密閉加圧状態を保持した後に、冷却してスラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の比率は、およそ44%であった。
なお、攪拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
図6に示す60度の4枚パドル翼を有する攪拌翼を用いた以外は実施例3と同様にして、重合工程および乾燥工程を行い、目的の重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、実施例3と同様に良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図7に示す30度の4枚パドル翼を有する攪拌翼を用いた以外は実施例3と同様にして、重合工程および乾燥工程を行い、目的の重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、実施例3と同様に良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図4に示す45度の4枚パドル翼を有する攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、92kgのトルエン、39kgの酢酸エチルを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が70〜71℃となるように外温を調節した後、下記表1に示した数量の単量体、架橋剤及び開始剤の混合物を3回分割で投入した。また、1回目投入より45分後、内温を78℃に昇温した。
2回目の投入は、1回目投入から1.5時間後に行い、3回目の投入は、2回目投入から3.5時間後に行った。
3回目の投入から4時間後に、2.2gの2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを1kgのトルエンに溶解して投入(追触)し、4時間熟成した後に冷却して、スラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の割合は、86%であった。
なお、撹拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
このスラリー状反応生成物の全量を、容量が300Lの横型乾燥機に投入し、外温を90℃以上125℃以下、減圧下で溶剤及び残存単量体の除去を行った。
溶剤の留出量が少なくなったら、内部の圧力をさらに下げていった。
内圧が0.02MPa以下を示して溶剤の留出が見られなくなるのを確認し、目的の反応生成物である重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図4に示す45度の4枚パドル翼を有する攪拌翼、ジャケット、コンデンサーおよび脱水器を備えたSUS304製の250Lの攪拌槽型反応器に、156kgのベンゼン、35kgのアクリル酸および259gのテトラアリルオキシエタンを投入した後、回転数50rpmで攪拌を開始した。
外温を85℃に設定して昇温させ、約2時間還流状態を保持した後に、温度40℃まで冷却した。還流前の混合液体をカールフィッシャー水分計で測定したところ、400ppmの水分が含まれていたが、還流2時間後は、水分値は200ppmまで低減していた。
約1時間300L/hrの流量で窒素ガスを液中に吹き込んだ後、昇温を開始した。内温が76℃となるように外温を調節し、内温が安定した後に2.9gの
2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを1kgのベンゼンに溶解して投入した。
15分後に白濁を確認し、その白濁確認から6時間は、内温を75〜77℃にコントロールした。
白濁から6時間後に、2.2gの2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを1kgのベンゼンに溶解して投入し、反応を継続した。さらに白濁から10時間後に4.3gの2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを1kgのベンゼンに溶解して投入(追触)し、内温を80℃で4時間保持した後に、冷却してスラリー状反応生成物を得た。このとき、反応器の容量に対する反応生成物の占める体積の割合は、86%であった。
なお、撹拌回転数は、スラリーの粘度によって適宜増加させた。また、窒素投入量は、白濁を確認した後は、20L/hrに下げた。
乾燥工程は、実施例7と同様にして行い、目的の反応生成物である重合体粉末を得た。重合工程、乾燥工程ともに特に異常はなく、良好な状態であった。
なお、得られた重合体粉末は微架橋しているため、溶媒に完全溶解せず、GPCによる分子量の測定はできなかった。
図8に示す攪拌翼を用いた以外は実施例1と同様にして、4.5gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を1kgの酢酸エチルに溶解して投入した。
10分後に白濁を確認し、白濁からおよそ2時間15分後に、突然、反応器の底部から突き上げるような強い振動とともにスラリーが激しく突沸したため、緊急冷却および重合禁止剤を投入して重合を中止した。
Claims (6)
- カルボキシル基含有単量体と架橋性単量体を、単量体は溶解するが、重合体は溶解しない有機溶剤中で、ラジカル重合開始剤により沈殿重合させて、架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体を製造する方法において、縦型円筒状の攪拌槽内の中心部に垂設される回転軸上の下端側に設置される、翼数が2〜6枚であるアンカー翼と、その上側に設置される翼数が2〜8枚であるパドル翼を備えた撹拌槽を反応器とすることを特徴とする架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
- 架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の0.2質量%中和水溶液の25℃におけるブルックフィールド粘度が、3,000〜50,000mPa・sであることを特徴とする請求項1に記載の架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
- カルボキシル基含有単量体がアクリル酸またはそのアルカリ金属塩であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
- 複数のパドル翼を備えた撹拌槽であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
- パドル翼の角度が水平面に対して30〜60度であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
- 反応器の容量に対する原料の総仕込み容量の割合が50%以上であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の架橋型カルボキシル基含有水溶性重合体の製造方法。
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