JP6073993B2 - 水性分散液および溶融押出成形品に使用するビニルアルコールコポリマー - Google Patents

水性分散液および溶融押出成形品に使用するビニルアルコールコポリマー Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
背景技術
ビニルアルコール(VOH)と、少量の遊離酸形の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸または塩としてのその遊離酸(AMPS)とのコポリマーは、当分野では公知で、様々な用途に有用である。そのような用途は、例えば、石鹸および洗剤の既定バッチ用容器へと成形することができる冷水可溶性フィルムの製造、新しい衣服を初めて洗濯する前までの暫定的なサイジング、ならびにコンクリートの硬化前の油井の完全性を維持するために使用する、コンクリート支柱の暫定的な支えとしてこれらのコポリマーを役立てることができる石油掘削への用途などである。
従来技術の方法によるこれらコポリマーの製造に関わる問題とは、十分なレベルの生産性を維持し、組成ドリフト、すなわちコポリマー内AMPS含有量のバッチ間の許容できない変動を避けながら、重合されたAMPSを十分に高い含有量で有するコポリマーを製造するのが困難なことである。したがって、重合されたAMPSの十分な配合量を有するVOH/AMPSコポリマーを製造でき、比較的高い生産性と低い組成ドリフトとを合わせ持つ何らかのプロセスが大いに望まれることになる。
発明の簡単な要旨
本発明に従い、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そのような酸(AMPS)の塩とのコポリマーを作製する方法であって、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性重合開始剤、ならびに前記のコモノマーと、開始剤と、前記コモノマーの共重合によって生成するコポリマーとに対する溶媒を、撹拌しながら、連続供給することと、前記生成した反応塊を、前記第1反応ゾーンに供給したAMPSの大部分を重合するのに十分な滞留時間だけ、重合条件下で、前記第1反応ゾーン中に維持することと、前記第1反応ゾーンからの反応塊を、AMPSの追加供給と共に第2反応ゾーンへ連続供給することと、前記第2反応ゾーンに加えたAMPSの大部分を重合するのに十分な滞留時間だけ、前記反応塊を第2反応ゾーン中に維持することと、反応塊を第2反応ゾーンから連続して取り出すことと、後者の反応塊からVAMとAMPSとのコポリマーを分離することと、前記コポリマー中のアセテート基の大部分を、加水分解および/またはアルコーリシスでけん化して、VOHとAMPSとのコポリマーを形成することとを含むステップによる、コポリマーを作製する方法を提供する。
発明の詳しい説明
前記方法を実行する上で、VAMとのコモノマーは、AMPSの遊離酸形、またはそのような遊離酸形のナトリウム、カリウム、またはアンモニウムの塩であってよい。
VAcおよびAMPSまたはAMPの塩を共重合するために使用する、フリーラジカル生成性重合開始剤は、例えば、2−エチルヘキシルパー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−ブチルパー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)パーオキシジカーボネート、ジ−n−プロピルパーオキシジカーボネート、ジ−n−ブチルパーオキシジカーボネート、ジ−アセチルパーオキシジカーボネート、ジ−s−ブチルパー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なら、本質的にはいかなるものも使用できる。
任意選択で、アセトアルデヒド(AcH)を連鎖移動剤として、他の成分と一緒に、第
1反応ゾーンに連続供給することができる。AcHの量は、例えば、VAMおよびAcHの総添加量に対して、約0.2重量%まででよい。
一般的に、コモノマーのVAMおよびAMPSと、重合開始剤と、2つの反応ゾーンで形成されたコポリマーとに対する溶媒が該プロセスで使用される。適切な溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、およびプロパノールである。好ましい溶媒は、メタノールである。
両反応ゾーンに連続供給されるAMPSの量は、例えば、VAMおよびAMPSの総供給量に対して、約1〜20重量%、好ましくは約4〜15重量%である。「分割」すなわち第1反応ゾーンと第2反応ゾーンとに対するAMPS供給量の比は、例えば、各々約55:45〜約80:20であってよい。
第1反応ゾーンに供給される重合開始剤の量は、例えば、供給されるVAM重量に対し、約0.0001〜約1重量%であってよい。
第1反応ゾーンに供給される溶媒の量は、例えば、供給されるVAM重量に対し、約10〜約40重量%であってよい。重合開始剤は、好ましくは、溶液重量に対する溶媒中の濃度が約0.1〜約10重量%である溶媒中溶液として、第1反応ゾーンに供給する。
第1反応ゾーンへ供給した成分の第1反応ゾーンでの平均滞留時間は、例えば、約30〜約120分、好ましくは約45〜約70分の範囲であってよい。
第1反応ゾーンの反応温度は、例えば、約55℃〜約85℃、好ましくは約60℃〜約80℃である。
第1反応ゾーンからの流出物内の成分と、第2反応ゾーンに供給した追加のAMPSとの第2反応ゾーンでの平均滞留時間は、例えば、約30〜約120分、好ましくは約45〜約70分の範囲であってよい。
第2反応ゾーンでの反応温度は、例えば、約55℃〜約85℃、好ましくは約60℃〜約80℃であってよい。
各反応ゾーンでの圧力は、例えば、約6.895〜約206.85kPa(約1〜約30psi)、好ましくは約20.685〜約103.425kPa(約3〜約15psi)の範囲であってよい。
第1および第2反応ゾーンにおける滞留時間および温度は一般的には、システムに供給した実質的に全てのAMPSが重合される程度で十分であるが、システムに添加したVAMが、低い比率で未重合のまま残されていてもよい。
第2反応ゾーンからの流出物中のポリマー固形分含有量は、例えば、約40〜約85%、好ましくは約55〜約75%の範囲であってよいが、実際のポリマー固形分含有量、および添加するモノマー量と等しい理論的ポリマー固形分含有量から計算する変換率は約70〜約99%、好ましくは約80〜約98%の範囲であってよい。メタノールの15重量%溶液の粘度で表される、第2反応ゾーンからのコポリマー分子量は、例えば約4〜約200cps、好ましくは約7〜約30cpsの範囲である。
VOH/AMPSコポリマーを生成するけん化ステップを実行する上で、第2反応ゾーンからの流出物は、例えば回収塔へ供給し、VAMとAMPSとのコポリマーから未反応VAMのようなより揮発性の高い成分を除去する。結果として生成された「ペースト」は次いで水酸化ナトリウムのような強塩基の水溶液と混合する、つまり約10〜約50重量%の水酸化ナトリウムを含有することによって、約0.01〜約0.1の苛性モル比(C
MR、コポリマー中の塩基のモルとアセテート基のモルとの比)の塩基を得ることになる。また任意選択で、メタノールなどの揮発性アルコールをある量添加して、ペースト中の固形分含有量を約30〜約65重量%まで低減する。その結果生成したマスは、次いでほぼ室温(RT、約22℃)〜約50℃の温度である時間、例えば約5分〜約24時間反応させることによって、コポリマー中のアセテート基のヒドロキシル基に対する加水分解率が、例えば約70〜約99+%の範囲、好ましくは約80〜約95%の範囲となる。
VOHおよびAMPSのけん化コポリマーは、例えば重合されたAMPS(poly AMPS)約1〜約8モル%、重合されたVAM(PVAc)約1〜約20モル%、および重合されたビニルアルコール(PVOH)約75〜約98モル%、好ましくはpoly
AMPS約2〜約4モル%、PVAc約5〜約10モル%、およびPVOH約85〜約90モル%であり、C13NMRで示す加水分解率が、例えば約70〜約99+%、好ましくは約80〜約95%であり、ならびにVOHコポリマーの4%水溶液の粘度で表される相対分子量は、例えば約3〜約30cps、好ましくは約7〜約10cpsであってよい。
以下の例はさらに本発明を例示するものである。実施例1〜11は、変化するプロセス条件下での連続プロセスによる、VAMと2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸のナトリウム塩(SAMPS)とのコポリマーの調製を説明している。
重合は、還流凝縮器と直列に取り付けられた2台のジャケット付き2−Lガラス反応器、メカニカルスターラー、および供給ラインを使用して行った。反応器1には酢酸ビニル(VAM)を連続供給したが、いくつかの例では、アセトアルデヒド(AcH)、メタノール含有のジ(エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート(EHP)開始剤、およびSAMPSを、定量ポンプを使用して別の供給ラインとして供給した。正確な供給量を確保するため、各供給物を天秤の上に置き、経時的に重量差を測定することによって、供給量を確認した。またSAMPSを第2反応器に連続供給することによって、組成ドリフト(反応器1と反応器2との分割は75:25であった)を最小限に抑えた。表1は、流れに対する供給量ならびに開始剤およびアルデヒドの濃度の一覧表である。反応器1の温度は60℃で反応器2の温度は64℃であった。各反応器の滞留時間は1時間であった。反応器2からのポリマー溶液は、オルダーショウ蒸留装置に供給し、メタノール蒸気を使用して残留する酢酸ビニルを回収した。各流れは、重合が確実に完了するよう、12時間継続した。
Figure 0006073993
表2は、前記例におけるSAMPSと酢酸ビニルとの重合の結果を示すもので、メタノールの15%溶液の粘度で表されるポリマーの相対分子量、反応器2の実際の固体比(%)、および実際の固体比と理論的固体比(括弧外の数字)とから計算した変換率(括弧内の数字)を含む。
Figure 0006073993
表2は、酢酸ビニルとSAMPSとの、ポリマーへの全般的な変換を示している。これら理論的固体濃度は、モノマーからコポリマーへの変換に直接関係するが、これら理論的固体濃度に基づく変換率は83%〜98%の範囲であり、SAMPSの残留物はどの供給流にも、C13NMRで検出されなかった。
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を取り去るのに使用するオルダーショウ蒸留装置から得たペーストを処理することによって実施され、50重量%水性NaOHは、苛性モル比(CMR)を様々な値に変更し、さらに固体含有量が約35重量%となるようにメタノールで希釈した。実施例12〜17は、実施例3のVAM/SAMPSのコポリマーに対して行ったけん化条件の変更による影響を例示するものであり、表3に結果を示す。
Figure 0006073993
苛性モル比(CMR)は、ポリマーが100%PVAcであるという前提で計算した。少量のco−AMPSは、CMRの計算では無視した。
上記の通り、50%NaOHは、十分なMeOHで希釈してから、ペーストに添加し、固体比35%に希釈した。このNaOH/MeOHを、室温で、手動でペーストに混合(10〜20分間混合)した。約1分間混合した後で、40℃でのケン化によりゲル化した。次いで出来上がったペーストを、上の表に示す時間および温度で反応させた。実施例12〜17に関する記載の手順と同様のケン化手順を、実施例1〜11のポリマーに対し行った。
表4は、表1および2の各実施例のケン化ポリマーの組成および特性を示すもので、重合されたSAMPS(SAMPS)、重合されたVAM(PVAc)および重合されたビニルアルコール(PVOH)のモル%、C13NMRによって表される加水分解率、4%水溶液の粘度で表される相対分子量、ならびに滴定によって表される加水分解率を含む。
Figure 0006073993
13NMR分光法を使用して、コポリマー組成およびコポリマー中のSAMPSのランダム性を測定した。SAMPS供給量が、コポリマーへのSAMPS配合量を制御する唯一の変数であった。
表1〜4のデータは、VOHとAMPSとのコポリマーが、本発明の連続プロセスを使用し、比較的高いAMPS配合量、高い変換率および生産性、高い加水分解ならびに比較的低い組成ドリフトが得られることを示している。
より一般的には、本発明は、酢酸ビニルと、アクリルアミドまたはアクリルアミド誘導体とのコポリマーを作製する連続プロセスを含む。アクリルアミドまたはアクリルアミド誘導体のモノマーおよびそれらを組み込んだコポリマーは、便宜上、それぞれアクリルアミドコモノマーおよびアクリルアミドコポリマーと呼ぶことにする。したがって、本発明に従い、a)酢酸ビニルおよびより反応性の高いアクリルアミドコモノマーを含む反応混合物を反応ゾーンに連続供給し、前記酢酸ビニルおよびアクリルアミドコモノマーを少なくとも部分的に消耗することにより、中間反応混合物を形成するステップと、b)中間反応混合物に、より反応性の高いアクリルアミドコモノマーをより多く含む流れを連続供給し、さらなるアクリルアミドコモノマーと中間反応混合物とを共重合することによって、酢酸ビニル/アクリルアミドコポリマー生成物を生成するステップと、c)酢酸ビニルアクリルアミドコポリマー生成物を連続的に取り出すステップとを含む、酢酸ビニル/アクリルアミドコポリマーを作製するための連続プロセスを提供する。
上記の通り、ビニルアルコール(VOH)と、少量の遊離酸形の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸または塩としてのその遊離酸(AMPS)とのコポリマーは、所定のバッチの石鹸および洗剤のための容器に成形可能な冷水可溶性フィルムの製造に有用である。以下の試験結果は、本発明の新規なプロセスによって作製したそのようなフィルム特有の新規な特性を開示している。
例えば、一実施形態では、本発明の新規のプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は「ハーシュケミカル溶解試験法(harsh chemical dissolution test method)」によって決定することができる。「ハーシュケミカル溶解試験法」とは、フィルムが完全に溶解する(スライド枠およびビーカーに明らかなフィルムがなくなる)までに要する時間と定義し、以下の方法で行う:a)「フィルム調製法」、b)「ハーシュケミカル含有のパウチ調製法」、次いでc)以下の「水溶性試験法」によるフィルム試験。本発明の新規なプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は、フィルムへと成形した場合、一実施形態において、8週間後のハーシュケミカル溶解試験法で、測定したハーシュケミカル溶解時間が、約80秒未満、より具体的には約50秒未満、さらに具体的には約40秒未満、さらに具体的には約25秒未満である。
別の例における、別の実施形態では、本発明の新規なプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は、「HCL溶解試験法」によって決定できる。「HCL溶解試験法」とは、フィルムが完全に溶解する(スライド枠およびビーカーに明らかなフィルムがなくなる)までに要する時間と定義し、以下の方法で行う:a)「フィルム調製法」、次いでb)以下の「HCL溶解試験法」によるフィルム試験。本発明の新規なプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は、フィルムへと成形した場合、一実施形態において、3%HCL溶液によるHCL溶解時間が、約120秒未満、より具体的には約110秒未満、さらに具体的には約100秒未満である。本発明の新規なプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は、フィルムへと成形した場合、一実施形態において、15%HCL溶液によるHCL溶解時間が、約90秒未満、より具体的には約85秒未満、さらに具体的には約80秒未満である。本発明の新規なプロセスによって作製した製品特有の新規な特性は、フィルムへと成形した場合、一実施形態において、28%HCL溶液によるHCL溶解時間が、約75秒未満、より具体的には約70秒未満、さらに具体的には約60秒未満である。
フィルム調製法
ポリマーを水に溶解することによって、ポリマー水溶液(例えば、ポリマー重量率4%)を生成する。該水溶液を、ガラス板上に流し込み、乾燥させる。生成したフィルム(約0.05〜約0.076mm(2〜3ミル)の厚さ)をプレートから剥がし、コントロール湿度50%Rhおよび室温約21.1℃(70°F)で24時間放置する。フィルムは、次いで2.5×3.5cmの断片に切断する。該フィルム作製においては、追加の添加剤(例えば没食子酸プロピル)は使用しないことを注意されたい。
ハーシュケミカルを含有するパウチの調製法
パウチは、温度約19.8℃(67.6°F)および36.5%湿度の条件下で、作製する。上記「フィルム調製法」で作製したフィルムを約15.24cm(6インチ)×約7.62cm(3インチ)の断片に切断し、2つに折り、約7.62cm(3インチ)×約7.62cm(3インチ)の正方形を作製する。ヒートシール銃を手に持ち、正方形の3辺をヒートシールする。商品名「Super Shock It」25g(「HTH」ブランド。54.6%次亜塩素酸カルシウム、45.4%他成分、53%有効塩素)をパウチに添加する。パウチの4つ目の辺を密閉する。
水溶性試験法
8週間後、各材料からの3個の充填パウチおよび2個のコントロールパウチを試験する。充填パウチを切り開き、中身を取り出す。パウチの各辺からの2.3×3.4cmのフィルム試料を、図1に示す通り、スライド枠に固定する。ビーカーに400mlのDI水を充填し、400rpmで撹拌する。水温は21℃±1℃に維持する。試料を水に浸し、フィルムが完全に溶解するのに要する時間(スライド枠またはビーカーに明らかなフィル
ムがなくなるまで)を記録する。3つの充填パウチの平均時間を秒で表したものを、「8週間後のハーシュケミカル溶解試験法」の時間とする。
HCL試験法
250mlジャケット付きビーカー、プログラム可能な撹拌プレート、マグネチックスターラーバー、ストップウォッチ、および35mmスライド枠を使用する。濃HCL(Fisher製HCL、A.C.S.Plus認可、ロット番号002562、アッセイ濃度37.5%)を使用して、3%、15%、および28%の溶液を調製する。2.3×3.4cmフィルム試料は、図1に示す通り、スライド枠内に固定する。225mlのHCL溶液(0.25リットルビーカーに入れて)マグネチックスターラー(300rpm)を介して渦を生成するように撹拌した。上記「フィルム調製法」によって作製したフィルムをHCL溶液に浸し、フィルムが完全に溶解するのに要する時間(スライド枠またはビーカーに明らかなフィルムがなくなるまで)を記録する。試験は室温で行う。該試験手順を、各濃度の酸溶液およびフィルム材料に対して繰り返す。秒で表した、3つのフィルム試料の平均時間を、特定のHCL濃度(例えば3%、15%、および28%のHCL溶液)での、「HCL溶解試験法」の時間とする。
以下は、本発明の方法により作製した製品を「ハーシュケミカルによる試験法」で試験した一例である。ポリマーは、上で詳述した実施例1−1により作製した。フィルムおよびパウチは、上記方法によって作製した。試験装置は、500mlジャケット付きビーカー、プログラム可能なデジタル撹拌プレート、マグネチックスターラーバー、デジタル温度計、ストップウォッチ、および35mmスライド枠を含んだ。ビーカーに400mlDI水を充填し、400rpmで撹拌した。水温はジャケット付きビーカーで21℃±1℃に維持した。8週間にわたり、毎週、各材料からの3つの充填パウチ、2つのコントロールパウチを試験した。充填パウチは切り開き、中身を取り出した。該パウチの各辺からの2.3×3.4cmのフィルム試料を図1に示すようにスライド枠に固定した。試料を水に浸し、規定の週間が過ぎた後、フィルムが完全に溶解するのに要する時間(スライド枠またはビーカーに明らかなフィルムがなくなるまで)を、「ハーシュケミカル溶解試験法」の時間として記録した。結果は以下の通りである。
Figure 0006073993
以下は、本発明の方法により作製した製品を「HCL溶解試験法」で試験した一例である。上に詳述した実施例1−1によりポリマーを作製した。フィルムは、上記の方法で作製した。250mlジャケット付きビーカー、プログラム可能な撹拌プレート、マグネチックスターラーバー、ストップウォッチ、および35mmスライド枠を使用した。濃HCL(Fisher製HCL、A.C.S.Plus認可、ロット番号002562、アッセイ濃度37.5%)を使用して、3%、15%、および28%の溶液を調製した。図1に示す通り、2.3×3.4cmフィルム試料をスライド枠内に固定した。225mlのHCL溶液を(0.25リットルビーカー内で)、マグネチックスターラー(300rpm)を介して渦を生成するように撹拌した。試料を水に浸し、フィルムが完全に溶解するのに要する時間(スライド枠またはビーカーに明らかなフィルムがなくなるまで)を記録した。試験は室温で行った。該試験手順を、各濃度の酸溶液およびフィルム材料に対して繰り返した。結果は、a)3%HCL溶液の「HCL溶解試験法」は107秒、b)15%HCL溶液の「HCL溶解試験法」は81秒、およびc)28%HCL溶液の「HCL溶解試験法」は60秒であった。

Claims (5)

  1. フィルムとハーシュケミカル(harsh chemical)とを含み、フィルムでハーシュケミカルを包む包装体であって、当該フィルムは、ビニルアルコール(VOH)と、1〜8モル%の遊離酸形の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸または塩としての当該遊離酸(AMPS)とのコポリマーであって、さらに、当該コポリマー中のAMPSの含量に関する低い組成ドリフトを特徴とする当該コポリマーから生成されるフィルムであって、当該コポリマーの4重量%水溶液から成形された0.05〜0.076mmの厚さを有する当該フィルムが、3%HCL溶液において120秒未満で溶解する特性を有する、包装体。
  2. 当該コポリマーの4重量%水溶液から成形された0.05〜0.076mmの厚さを有する当該フィルムが、15%のHCl溶液において90秒未満で溶解する特性を有する、請求項1に記載の包装体。
  3. 当該コポリマーの4重量%水溶液から成形された0.05〜0.076mmの厚さを有する当該フィルムが、28%のHCl溶液において75秒未満で溶解する特性を有する、請求項1に記載の包装体。
  4. パウチの形態に成形されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の包装体。
  5. 所定量の洗剤を収めることができる容器へと成形されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の包装体。
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