JP6209082B2 - 両親媒性ポリマーの製造方法 - Google Patents
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Description
これに対して、例えば、特許文献1には、分子量が300〜1,000,000のポリカルボン酸(塩)溶液を、加熱面に逐次供給することにより濃縮する際の泡立ちを防止する方法が開示されている。また、特許文献2には、アクリル酸を含むモノマーを重合した後、中和してから、水を残留させつつ有機溶媒を留去することにより、得られたポリマーが水中で容易に自己分散し、エマルジョンを形成する効果が開示されている。また、特許文献3には、水不溶性ポリマーを得た後、溶媒として用いたアルコールを蒸留により除去する手法が示されている。
本発明の課題は、水及び親水性溶媒を含む混合溶媒を溶媒とする両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液から親水性溶媒を留去するときの泡立ちの抑制に優れ、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液への導入水蒸気量を抑制することができる両親媒性ポリマーの製造方法を提供することにある。
親水性溶媒の存在下、親水性モノマー及び疎水性モノマーを重合して両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液を得る重合工程程と、
両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液に水を加えて、水及び親水性溶媒を含む混合溶媒を溶媒とする両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液の粘度(25℃)を10,000mPa・s以上300,000mPa・s以下とした後、親水性溶媒の0.1MPaにおける沸点以下の温度で、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液に対し、水蒸気を導入しながら両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液から親水性溶媒を留去する溶媒留去工程と
を含む両親媒性ポリマーの製造方法。
以下、「両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液」を単に、「ポリマー溶媒溶液」と称することがある。また、「両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液」を単に、「ポリマー混合溶媒溶液」と称することがある。
親水性溶媒を留去した後のポリマー混合溶媒溶液は、例えば、水に溶解又は分散して用いることができる。
本発明の両親媒性ポリマーの製造方法は、上記処方を含んで構成されれば特に制限されず、例えば、重合工程及び溶媒留去工程の一方又は両方において、更に他の処方を含んでいてもよいし、重合工程及び溶媒留去工程以外の工程を含んでいてもよい。例えば、重合工程、溶媒留去工程、又は他の工程において、反応系内を減圧する減圧処理を行ってもよい。
また、以下、ポリマー混合溶媒溶液の粘度は、特に記載する場合を除き、25℃での粘度を指す。
重合工程では、モノマーとして、親水性モノマー及び疎水性モノマーを重合して両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液を得る。
親水性モノマーは、モノマー又はその塩のいずれかにおいて、20℃における水100gに対する溶解量が1g超のモノマーである。
親水性モノマーとしては、アニオン性親水性モノマー、カチオン性親水性モノマー及び非イオン性親水性モノマーが挙げられる。
カチオン性親水性モノマーとしては、(メタ)アクロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム塩、(メタ)アクロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウム塩等の四級塩基含有モノマー、(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチル、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等アミノ基含有モノマー等が挙げられる。
非イオン性親水性モノマーとしては、(メタ)アクリルアミド、ジメチル(メタ)アクリルアミド、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、3−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、アルコキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレートビニルピロリドン等が挙げられる。
重合工程では、以上の親水性モノマーを1種のみ用いてもよいし、複数種用いてもよい。
アクリル酸は、入手し易く、重合後の両親媒性ポリマーが水に溶解又は分散し、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちを抑制する効果が発揮される観点から好ましい。
疎水性モノマーとしては、メチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート等の炭素数1以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステル;N−t−ブチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジエチル(メタ)アクリルアミド等の総炭素数3以上22以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリルアミド;エチレン、プロピレン、イソブチレン、塩化ビニル、ビニリデンクロリド等のオレフィン;スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系モノマー;プロピオン酸ビニル等のビニルエステル等が挙げられる。
重合工程では、以上の疎水性モノマーを1種のみ用いてもよいし、複数種用いてもよい。
疎水性モノマーは、重合後の両親媒性ポリマーが水に溶解又は分散し、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちを抑制する効果が発揮される観点から、好ましくは炭素数1以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステル又は総炭素数3以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリルアミドであり、より好ましくは炭素数1以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステルである。
炭化水素基の炭素数は、8以上24以下であることが好ましい。エステル部分を構成する炭化水素基の炭素数が8以上であることで、ポリマー混合溶媒溶液を増粘し易くなる。炭化水素基の炭素数の下限は、ポリマー混合溶媒溶液の増粘し易さの観点から、好ましくは10以上であり、より好ましくは12以上であり、さらに好ましくは14以上である。また、炭化水素基の炭素数が24以下であることで、溶媒留去工程におけるポリマー混合溶媒溶液が増粘し過ぎず、ポリマー溶媒溶液を水に溶解分散することができる。炭化水素基の炭素数の上限は、ポリマー混合溶媒溶液が増粘し過ぎない観点から、好ましくは20以下であり、より好ましくは18以下である。
炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アラルキル基及びアリール基が挙げられ、上記炭素数の範囲を満たす限度において更に置換基を有していてもよい。
アルキル基としては、直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基が挙げられ、具体的には、オクチル基、デシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、ステアリル基等が挙げられる。
アルケニル基としては、上記アルキル基の任意の隣り合う炭素間に二重結合を有する基が挙げられ、直鎖状であっても、分岐状であっても、環状であってもよい。具体的には、ドデセニル基、オクタドデセニル基等が挙げられる。
アルキニル基としては、上記アルキル基の任意の隣り合う炭素間に三重結合を有する基が挙げられ、直鎖状であっても、分岐状であっても、環状であってもよい。具体的には、1−オクチニル基、1−ドデシニル基等が挙げられる。
アリール基としては、ナフチル基、アントラセニル基等が挙げられる。
両親媒性ポリマーを得るための重合反応には、上記炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステルを1種用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
また、(メタ)アクリル酸エステルは、好ましくはメタクリル酸エステル及びアクリル酸エステルから選ばれる1種以上であり、より好ましくはアクリル酸エステル又はメタクリル酸エステルであり、更に好ましくはアクリル酸エステルである。
アクリル酸エステルは、入手し易く、重合後の両親媒性ポリマーが水に溶解又は分散し、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちを抑制する効果が発揮される観点から好ましい。
(メタ)アクリル酸(a1)の質量と(メタ)アクリル酸エステル(a2)の質量との合計100質量%中の(メタ)アクリル酸(a1)の質量の割合(以下、「a1割合」という)は、得られるポリマー溶媒溶液が、水に溶解又は分散し、本発明の効果が発揮される観点から、より好ましくは60質量%以上であり、さらに好ましくは65質量%以上である。
また、a1割合は、ポリマー混合溶媒溶液の増粘及び発泡抑制効果の観点から、より好ましくは80質量%以下であり、さらに好ましくは70質量%以下である。
両親媒性ポリマーの重合反応には、(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリル酸エステル以外に、更に、(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリル酸エステルのいずれか一方又は両方と共重合可能な第三のモノマーを用いてもよい。
両親媒性ポリマーの重合反応に用いる全モノマー中の第三のモノマーの割合は、親水性溶媒や水への溶解性を損なわない観点から、好ましくは20質量%未満であり、より好ましくは10質量%未満であり、さらに好ましくは5質量%未満であり、更に好ましくは1質量%未満である。
重合工程で用いる親水性溶媒は、25℃の水100gに5g以上溶解する溶媒を意味し、(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリル酸エステルを共に溶解し得る溶媒であることが好ましい。
例えば、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒等が挙げられ、具体的には、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、n−ヘキサノール、メチルエチルケトン、アセトン等が挙げられる。
また、親水性溶媒は、SP値(Solubility Parameter)が高い溶媒が好ましい。SP値は水との均一溶解性の観点から、好ましくは10.0(MPa)1/2以上であり、より好ましくは11.0(MPa)1/2以上である。そのような溶媒としては、メタノール(14.5(MPa)1/2)、エタノール(12.7(MPa)1/2)、イソプロピルアルコール(11.5(MPa)1/2)、エチレングリコール(14.6(MPa)1/2)が挙げられる。カッコ内の数値が溶媒のSP値である。
ここで、親水性溶媒の溶解度パラメーターとは液体分子凝集エネルギーとEと分子容Vから(E/V)1/2(MPa)1/2で与えられる物質定数である。各種方法で求められるが、本発明における溶解度パラメーターは、J. BRANDR UP著「POLYMER HANDBOOK 4th 」(JHON WILEY & SONS,INC 1999年発行)、VII688〜694項に示された値、又はFedorsの方法に従い、 J. BRANDR UP著「POLYMER HANDBOOK 4th 」、VII685〜686項に示されるパラメーターを用いて算出した値を用いることができる。
親水性溶媒は、後工程での溶媒留去の負荷軽減の観点から、好ましくは炭素数1以上6以下の1価又は多価のアルコールであり、より好ましくは炭素数1以上6以下の1価のアルコールであり、さらに好ましくは炭素数1以上3以下の1価のアルコールである。
親水性溶媒は、1種のみ用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
反応時間は、ポリマー混合溶媒溶液に十分な粘度を与える観点から、好ましくは1時間以上であり、より好ましくは2時間以上であり、さらに好ましくは3時間以上であり、更に好ましくは9時間以上である。また、反応時間の上限は、ポリマー混合溶媒溶液の粘度を大きくしすぎない観点から、好ましくは20時間以下であり、より好ましくは18時間以下であり、更に好ましくは15時間以下である。
重合反応は、重合遅延や引火等の危険回避の観点から、窒素ガス等の不活性ガスを用い、非酸素雰囲気下で行うことが好ましい。
また、重合反応には、1種又は2種以上の公知の重合開始剤を使用することができる。
重合開始剤としては、例えば、過酸化水素;過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩;ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル、4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)等のアゾ系化合物;過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酢酸、クメンヒドロパーオキサイド等の有機過酸化物等が挙げられる。
両親媒性ポリマーの重量平均分子量(Mw)は、重合反応に用いるモノマーの種類、モノマーの量、反応時間等の各種反応条件によるが、5,000以上50,000以下であることが好ましい。両親媒性ポリマーの重量平均分子量が5,000以上であることで、溶媒留去工程において、ポリマー混合溶媒溶液を増粘し易くなり、ポリマー混合溶媒溶液の発泡が抑制され、親水性溶媒をより効率よく留去することができる。また、両親媒性ポリマーの重量平均分子量が50,000以下であることで、両親媒性ポリマーが硬くなりにくく、ポリマー混合溶媒溶液が撹拌し易くなるため、撹拌動力の大きな撹拌機及び高粘度用の特殊装置を用いずに済む。
両親媒性ポリマーの重量平均分子量の下限は、ポリマー混合溶媒溶液の発泡抑制の観点より、より好ましくは、7,000以上であり、さらに好ましくは10,000以上である。両親媒性ポリマーの重量平均分子量の上限は、ポリマー混合溶媒溶液の撹拌容易性の観点から、より好ましくは、35,000であり、さらに好ましくは20,000である。
溶媒留去工程では、両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液に水を加えて、水及び親水性溶媒を含む混合溶媒を溶媒とする両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液の粘度(25℃)を10,000mPa・s以上300,000mPa・s以下とした後、親水性溶媒の0.1MPaにおける沸点以下の温度で、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液に対し、水蒸気を導入しながら両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液から親水性溶媒を留去する。
重合工程で得られたポリマー溶媒溶液に、水を加え、溶液の溶媒を水と親水性溶媒との混合溶媒にして、ポリマー混合溶媒溶液を得る。溶媒留去工程では、ポリマー混合溶媒溶液がゲル化して粘度が10,000mPa・s以上300,000mPa・s以下となってから、ポリマー混合溶媒溶液に水蒸気を導入する。
ポリマー混合溶媒溶液がゲル状になることで、粘度が10,000mPa・s未満のポリマー混合溶媒溶液に比べ、ポリマー混合溶媒溶液が泡立ちにくく、泡立っても消泡し易い。従って、粘度が上記範囲であるポリマー混合溶媒溶液に水蒸気を導入することで、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちを抑制しつつ親水性溶媒を留去することができる。また、泡立ちが抑制されるために、効率よく親水性溶媒を留去することができ、単位ポリマー量に対する水蒸気量を小さくすることができる。
溶媒留去工程では、25℃における粘度が10,000mPa・s以上300,000mPa・s以下のポリマー混合溶媒溶液に対して水蒸気を導入する。
水蒸気が付与される前のポリマー混合溶媒溶液の粘度が10,000mPa・s以上であることで、ポリマー混合溶媒溶液の発泡が抑制され、ポリマー混合溶媒溶液からの溶媒留去が容易となる。また、水蒸気が付与される前のポリマー混合溶媒溶液の粘度が300,000mPa・s以下であることで、ポリマー混合溶媒溶液の流動性が保たれるため、ポリマー混合溶媒溶液が撹拌し易く、撹拌動力の大きな撹拌機及び高粘度用の特殊装置を用いずに済む。
水蒸気が付与される前のポリマー混合溶媒溶液の粘度の下限は、ポリマー混合溶媒溶液の発泡抑制の観点から、10,000mPa・s以上であり、好ましくは12,000mPa・s以上であり、より好ましくは14,000mPa・s以上であり、さらに好ましくは20,000mPa・s以上である。水蒸気が付与される前のポリマー混合溶媒溶液の粘度の上限は、ポリマー混合溶媒溶液の撹拌容易性の観点から、300,000mPa・s以下であり、好ましくは200,000mPa・s以下であり、より好ましくは150,000mPa・s以下であり、さらに好ましくは100,000mPa・s以下であり、よりさらに好ましくは30,000mPa・s以下である。
溶媒留去工程終了時のポリマー混合溶媒溶液の粘度は、ポリマー混合溶媒溶液の発泡抑制の観点から、より好ましくは60,000mPa・s以上であり、さらに好ましくは80,000mPa・s以上である。溶媒留去工程終了時のポリマー混合溶媒溶液の粘度は、ポリマー混合溶媒溶液の撹拌容易性の観点から、好ましくは1,000,000mPa・s以下であり、より好ましくは500,000mPa・s以下であり、さらに好ましくは300,000mPa・s以下である。
なお、ポリマー混合溶媒溶液の粘度は、例えば、E型粘度計(東機産業株式会社製、商品名:「RE80U型粘度計」)を使用し、25℃、ロータ:3°×R17.65、30rpm、3minの条件で測定すればよい。
ポリマー溶媒溶液への水の添加量は、ポリマー溶媒溶液中の両親媒性ポリマーの濃度、両親媒性ポリマーの重量平均分子量等にもよるが、通常、ポリマー混合溶媒溶液中の水の含有量が40質量%以上75質量%以下となる範囲で水を添加すればよい。ポリマー混合溶媒溶液中の水の含有量が75質量%以下であることで、ポリマー混合溶媒溶液の粘度が10,000mPa・s以上となり易く、ゲルを形成し易い。ポリマー混合溶媒溶液中の水の含有量が40質量%以上であることで、ポリマー混合溶媒溶液が過度に増粘しにくく、溶媒留去工程終了時にも流動性を保ち易い。
ポリマー混合溶媒溶液中の水の含有量の下限は、ポリマー混合溶媒溶液の流動性の観点から、より好ましくは45質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上である。ポリマー混合溶媒溶液中の水の含有量の上限は、ポリマー混合溶媒溶液の増粘による発泡抑制の観点から、より好ましくは72質量%以下であり、さらに好ましくは70質量%以下である。
ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度が10質量%以上であることで、ポリマー混合溶媒溶液の粘度をより高めることができ、ポリマー混合溶媒溶液の発泡をより抑制することができる。また、ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度が40質量%以下であることで、ポリマー混合溶媒溶液の流動性が保たれるため、ポリマー混合溶媒溶液が撹拌し易く、撹拌動力の大きな撹拌機及び高粘度用の特殊装置を用いずに済む。
ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度の下限は、ポリマー混合溶媒溶液の発泡抑制の観点から、より好ましくは12質量%以上であり、さらに好ましくは15質量%以上である。ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度の上限は、ポリマー混合溶媒溶液の流動性確保の観点から、より好ましくは35質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以下である。
ポリマー混合溶媒溶液の温度を親水性溶媒の0.1MPaにおける沸点以下の温度とすることで、ポリマーの固形分濃度が一定の範囲内に保たれる為、その結果、ポリマー溶媒溶液の粘性を一定の範囲にコントロールして、適正な範囲から逸脱させずに溶媒留去をし易い。例えば、親水性溶媒としてイソプロピルアルコール(IPAともいう)を用いた場合、ポリマー混合溶媒溶液の温度をIPAの0.1MPaにおける沸点(83℃)以下にすればよい。
ポリマー混合溶媒溶液の温度と、親水性溶媒の0.1MPaにおける沸点との温度差は特に制限されないが、通常、1℃以上15℃以下とする。温度差の下限は、固形分低下の回避の観点より、より好ましくは2℃以上である。温度差の上限は、水、溶媒の留去による泡立ち抑制の観点より、より好ましくは13℃以下であり、さらに好ましくは10℃以下であり、よりさらに好ましくは4℃以下である。
ポリマー混合溶媒溶液への水蒸気の導入には、例えば、水蒸気の導入ノズルを用いればよい。
ポリマー混合溶媒溶液に水蒸気を導入するとき、ポリマー混合溶媒溶液の粘度は10,000mPa・s以上となっているため、液中に水蒸気を吹き込んでも泡立ち難く、泡立っても消泡し易い。また、ポリマー混合溶媒溶液中の親水性溶媒は、通常、ポリマー混合溶媒溶液の気液界面側に偏在する傾向にあるため、ポリマー混合溶媒溶液の気液界面に水蒸気を吹き当てるだけでも親水性溶媒が留去され易い。
水蒸気は、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちをより抑制する観点から、ポリマー混合溶媒溶液の気液界面に向けて導入することが好ましい。
なお、溶媒留去工程においてポリマー混合溶媒溶液に導入される水蒸気は、ポリマー混合溶媒溶液中の水が蒸発して反応容器内にとどまる水蒸気ではなく、反応容器内に意図的に導入される水蒸気である。
ポリマー混合溶媒溶液への水蒸気の導入は、反応容器の大きさにもよるが、例えば、1g/分以上3,000g/分以下の流量で行えばよい。
また、気液面の界面積当りの水蒸気導入速度としては、親水性溶媒の留去の観点から、好ましくは20g/(h・m2)以上2000g/(h・m2)以下、より好ましくは80g/(h・m2)以上1000g/(h・m2)以下である。
溶媒留去工程は、両親媒性ポリマー濃縮工程を有していることが好ましい。
溶媒留去工程が両親媒性ポリマー濃縮工程を含むことで、親水性溶媒の留去効率をより高めつつ、ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマーを濃縮することができる。
両親媒性ポリマー濃縮工程は、ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー固形分100質量部当たりの親水性溶媒の割合が20質量部以下であるときに、ポリマー混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度を高めながら親水性溶媒を留去する。
両親媒性ポリマーの濃縮を開始する親水性溶媒の両親媒性ポリマー固形分100質量部当たりの割合は、泡立ち抑制の観点から、より好ましくは17質量部以下であり、さらに好ましくは10質量部以下であり、よりさらに好ましくは5質量部以下であり、よりさらに好ましくは1質量部以下である。
両親媒性ポリマー濃縮工程における反応系内の圧力は、工程時間短縮の観点から、好ましくは80kPa以下であり、より好ましくは60kPa以下であり、さらに好ましくは40kPa以下である。
本発明の両親媒性ポリマーの製造方法によれば、ポリマー混合溶媒溶液の泡立ちを抑制して、親水性溶媒を留去することができるため、ポリマー混合溶媒溶液中の親水性溶媒量を大きく減らすことができる。従って、例えば、ポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分100質量部当りの残存親水性溶媒量が1質量部以下となる時点をもって溶媒留去工程を終了することもできる。溶媒留去工程が両親媒性ポリマー濃縮工程を含む場合は、両親媒性ポリマー濃縮工程の終点を溶媒留去工程の終了時点と考えればよい。
なお、ポリマー固形分100質量部当りの残存親水性溶媒量は、ポリマー混合溶媒溶液中の残存親水性溶媒量と、ポリマー固形分とを測定しそれぞれの測定値から算出すればよい。
・残存イソプロピルアルコール量
ポリマー混合溶媒溶液中の残存イソプロピルアルコール量は、ガスクロマトグラフィ(GC)分析により、内部標準法に基づき行った。分析条件は次のとおりである。
装置:Agilent Technology社製、「6890N」
カラム:DB−1(30m×0.25mm×0.25μm)
オーブン:100℃から5℃/min.で昇温し、210℃から20℃/min.で昇温し、280℃で4.5分保持;計30分
キャリア:He
流量:1.6mL/min.
注入口:200℃
検出器(FID):280℃
注入量:1μL
スプリット:100:1
内部標準:ウンデカン(ナカライテスク株式会社製、純度99質量%)
ポリマーの分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)法により標準ポリスチレンを基準として測定を行った。分析条件は次のとおりである。
装置 :HLC−8220GPC(東ソー株式会社製)
カラム :α−M+α−M(40℃)
ガードカラム :TSKgel guardcolumn α(東ソー株式会社製)
溶離液 :H3PO4のDMF溶液(60mmol/L)及び
LiBrのDMF溶液(50mmol/L)
流速 :1.0mL/min
検出器 :RI
ポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は、KETT水分計「FD−720」(株式会社ケット科学研究所製、赤外線水分計)により測定した。
・ポリマー混合溶媒溶液の粘度は、E型粘度計「RE80U型粘度計」(東機産業株式会社製)を使用し、25℃、ロータ:3°×R17.65、30rpm、3minの条件で測定した。
〔重合工程1〕
98質量%アクリル酸200g、ステアリルアクリレート98.5g、イソプロピルアルコール95g、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル1.58gを均一に溶解し、モノマー混合液1を作成した。モノマー混合液1を500mLの滴下ロートに仕込んだ。
続いて、還流冷却管及びアンカー型攪拌翼を備えた3Lのガラス製4口セパラブルフラスコ(反応容器)に、イソプロピルアルコール100.0gを入れ、反応容器内を常温のまま撹拌しながら窒素気流を流して、反応容器内を窒素雰囲気とした。
反応容器を温水浴により80℃まで昇温して、反応容器内の温度を80℃に保つように調整しながら、予め用意したモノマー混合液1を4時間かけて滴下して重合反応を行った。
引き続いて、反応容器内の温度を80℃のまま保ち、反応物を撹拌して1h熟成した。その後、イソプロピルアルコール5gに2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル0.79gを溶解させた重合開始剤溶液を反応容器内に投入した。その後も反応容器内の温度を80℃に保ったまま反応物を撹拌して更に7h熟成を行い、ポリマー溶媒溶液1を得た。
熟成終了後、反応容器内に脱イオン水1,000gを仕込み、ポリマー溶媒溶液1と脱イオン水とを十分混合し、ポリマー混合溶媒溶液1とした。その後、反応容器内の温度が80℃に到達したところで、反応容器内を67kPaに減圧した。
続いて、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液1中に浸漬しない位置に設置した。吹込みノズルから、反応容器内に水蒸気を2g/分の速度で投入し、ポリマー混合溶媒溶液1から水と共にイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、水蒸気吹込量が750gとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液1中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は18質量%となっていた。
〔重合工程2〕
98質量%アクリル酸20kg、ステアリルアクリレート9.85kg、イソプロピルアルコール9.5kg、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル158gを均一に溶解し、モノマー混合液2を作成した。モノマー混合液2を50Lの滴下ロートに仕込んだ。
続いて、2m2SUS316Lコンデンサー、ジャケット及びアンカー型攪拌翼を備えた450LのSUS316L製反応容器に、イソプロピルアルコール10.0kgを入れ、反応容器内を常温のまま撹拌しながら窒素気流を流して、反応容器内を窒素雰囲気とした。
その後ジャケットに温水を流して反応容器内を80℃まで昇温して、予め用意したモノマー混合液2を、反応容器内の温度を80℃に保つように調整しながら、4時間かけて滴下して、重合反応を行った。
引き続いて、反応容器内を80℃のまま、反応物を撹拌して1h熟成した後に、イソプロピルアルコール0.5kgに2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル79gを溶解させた重合開始剤溶液を反応容器内に投入した。その後も反応容器内を80℃のまま保ち、反応物を撹拌して、更に7h熟成を行い、ポリマー溶媒溶液2を得た。
熟成終了後、反応容器内に脱イオン水100kgを仕込み、ポリマー溶媒溶液2と脱イオン水とを十分混合し、ポリマー混合溶媒溶液2とした。その後、反応容器内の温度が80℃に到達したところで、反応容器内を67kPaに減圧した。
続いて、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液2中に浸漬しない位置に設置した。吹込みノズルから、反応容器内に水蒸気を25kg/時間の速度で投入し、ポリマー混合溶媒溶液2から、水と共にイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、水蒸気吹込量が135kgとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液2中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は18質量%となっていた。
〔重合工程〕
重合工程2と同じ方法により重合を行ない、ポリマー溶媒溶液2を得た。
〔溶媒留去工程3〕
溶媒留去工程2において、反応容器内に仕込んだ脱イオン水を70kgとしてポリマー混合溶媒溶液3を得、ポリマー混合溶媒溶液2に代えてポリマー混合溶媒溶液3を用いた以外は溶媒留去工程2と同様の操作を行った。
その結果、水蒸気の吹込量が145kgとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液3中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は24質量%となっていた。
〔重合工程3〕
98質量%アクリル酸200kg、ステアリルアクリレート98.5kg、イソプロピルアルコール96.2kg、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル1.58kgを均一に溶解し、モノマー混合液3を作成した。モノマー混合液3を500Lの滴下ロートに仕込んだ。
続いて、8m2SUS316Lコンデンサー、ジャケットおよびアンカー型攪拌翼を備えた3m3のSUS316L製反応容器にイソプロピルアルコール91kgを入れ、反応容器内を常温のまま撹拌しながら窒素気流を流して、反応容器内を窒素雰囲気とした。
その後、ジャケットに温水を流して反応容器内を80℃まで昇温して、予め用意したモノマー混合液3を、反応容器内の温度を80℃に保つように調整しながら、4時間かけて滴下して、重合反応を行った。
引き続いて、80℃のまま撹拌して1h熟成した後に、イソプロピルアルコール5kgに2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル0.79kgを溶解させた重合開始剤溶液を反応容器内に投入した。その後も80℃のまま撹拌して更に7h熟成を行い、ポリマー溶媒溶液3を得た。
熟成終了後、反応容器内に脱イオン水615kgを仕込み、ポリマー溶媒溶液3と脱イオン水とを十分混合し、ポリマー混合溶媒溶液4とした。その後、反応容器内の温度が80℃に到達したところで、反応容器内を67kPaに減圧した。
続いて、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液4中に浸漬しない位置に設置した。吹込みノズルから、反応容器内に水蒸気を70kg/時間の速度で投入し、ポリマー混合溶媒溶液4から水と共にイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、水蒸気吹込量が2860kgとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液4中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は27質量%となっていた。
〔重合工程〕
実施例4の重合工程3と同じ方法により重合を行ない、ポリマー溶媒溶液3を得た。
〔溶媒留去工程5〕
溶媒留去工程4と同様の方法により、ポリマー混合溶媒溶液4と同じポリマー混合溶媒溶液5を得た。また、溶媒留去工程4と同様の方法により、ポリマー混合溶媒溶液5からイソプロピルアルコールを留去開始した。その後、水蒸気吹込量が930kgとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液5中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り13質量部であることを確認した。また、この時点でのポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分が26質量%となっていることを確認した。
[濃縮工程]
次いで、水蒸気吹込速度を保ちながら、反応容器内圧力を30kPaまで減圧して、操作を行った。その結果、水蒸気吹込量の合計が1350kgとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液5中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は34質量%となっていた。
〔重合工程〕
実施例1の重合工程1と同じ方法により重合を行ない、ポリマー溶媒溶液1を得た。
〔溶媒留去工程6〕
また、溶媒留去工程1において、水蒸気を吹込むノズルをポリマー溶媒溶液1中に浸漬した位置に設置したこと以外は溶媒留去工程1と同様して、ポリマー混合溶媒溶液1からイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、水蒸気吹込量が750gとなったところで、ポリマー混合溶媒溶液中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となったことを確認した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は19質量%となっていた。
〔重合工程101〕
98質量%アクリル酸100g、ステアリルアクリレート49.8g、イソプロピルアルコール47.5g、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル0.79gを均一に溶解し、モノマー混合液101を作成した。モノマー混合液101を250mLの滴下ロートに仕込んだ。
続いて、還流冷却管及びアンカー型攪拌翼を備えた3Lのガラス製4口セパラブルフラスコ(反応容器)に、イソプロピルアルコール50.0gを入れ、反応容器内を常温のまま撹拌しながら窒素気流を流して、反応容器内を窒素雰囲気とした。
反応容器を温水浴により80℃まで昇温して、反応容器内の温度を80℃に保つように調整しながら、予め用意したモノマー混合液1を4時間かけて滴下して重合反応を行った。
引き続いて、反応容器内の温度を80℃のまま保ち、反応物を撹拌して1h熟成した。その後、イソプロピルアルコール2.5gに2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル0.40gを溶解させた重合開始剤溶液を反応容器内に投入した。その後も反応容器内の温度を80℃に保ったまま反応物を撹拌して更に7h熟成を行い、ポリマー溶媒溶液101を得た。
熟成終了後、反応容器内に脱イオン水1250gを仕込み、ポリマー溶媒溶液101と脱イオン水とを十分混合し、ポリマー混合溶媒溶液101とした。その後、反応容器内の温度が80℃に到達したところで、反応容器内を67kPaに減圧した。
続いて、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液101中に浸漬している位置に設置した。吹込みノズルから、反応容器内に水蒸気を2g/分の速度で投入し、ポリマー混合溶媒溶液101から水と共にイソプロピルアルコールを留去した。
操作開始直後より、ポリマー混合溶媒溶液101が激しく泡立ち、減圧装置が泡を吸い込む等安定した操作ができなかった為、操作を中断した。
〔重合工程〕
比較例1の重合工程101と同じ方法により重合を行ない、ポリマー溶媒溶液101を得た。
〔溶媒留去工程102〕
溶媒留去工程101と同様にしてポリマー混合溶媒溶液102を得た。また、溶媒留去工程1において、ポリマー混合溶媒溶液1に代えてポリマー混合溶媒溶液102を用いたほかは同様にして、ポリマー溶媒溶液102からイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、ポリマー混合溶媒溶液102中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となるには水蒸気吹込量4660gを要した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は8質量%となっていた。
〔重合工程〕
実施例2の重合工程2と同じ方法により重合を行ない、ポリマー溶媒溶液2を得た。
〔溶媒留去工程103〕
反応容器内に仕込む脱イオン水量を200kgとしたこと以外は溶媒留去工程2と同様にしてポリマー混合溶媒溶液103を得た。また、溶媒留去工程2において、ポリマー混合溶媒溶液2に代えてポリマー混合溶媒溶液103を用いたほかは同様にして、ポリマー溶媒溶液103からイソプロピルアルコールを留去した。
その結果、ポリマー溶媒溶液103中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となるには水蒸気吹込量677kgを要した。この時のポリマー混合溶媒溶液中のポリマー固形分は10質量%となっていた。
実施例1〜5及び比較例1〜3の各処方について、次のように評価した。
1)泡立ち
溶媒留去工程におけるポリマー溶媒溶液の泡立ち状態を目視により確認し、下記基準に基づき評価した。
・小:泡立ちが認められない、又は液表面に泡を生じていても、速やかに破泡され液面の上昇が懸念されない状態である。
・大:液面から泡が発生している状態であり、その泡が消失し難く液面が上昇する為に継続的な操作が困難となる状態である。
溶媒留去工程において、ポリマー混合溶媒溶液中の残存イソプロピルアルコールがポリマー固形分100質量部当り1質量部以下となるまでに要した水蒸気量を、ポリマーの質量(P)に対する水蒸気の質量(S)の割合S/P比の観点から評価した。
S/P比が小さいほど、溶媒留去工程で要した水蒸気量が小さい。
また、表1には、溶媒留去工程における各条件を示した。各項目の詳細は次のとおりである。
・「重合体分子量」は、ポリマー混合溶媒溶液中のポリマーの重量平均分子量を表す。なお、ポリマーの重量平均分子量は、ゲルクロマトグラフィー(GPC)法によりポリスチレンを標準物質として測定した。
・「重合体濃度」は、ポリマー混合溶媒溶液中のポリマー濃度を表す。「初期」はポリマー溶媒溶液に水を添加した時点におけるポリマー混合溶媒溶液中のポリマー濃度を表し、「終了時」はポリマー混合溶媒溶液への水蒸気の導入を終了した時点でのポリマー混合溶媒溶液中のポリマー濃度を表す。
「濃縮時」は、実施例5の濃縮工程を始めるときのポリマー混合溶媒溶液中のポリマー濃度を表す。
・「初期IPA濃度」は、ポリマー溶媒溶液に水を添加した時点におけるポリマー混合溶媒溶液中のイソプロピルアルコール濃度を表す。
・「初期水」は、ポリマー溶媒溶液に水を添加した時点におけるポリマー混合溶媒溶液中の水の濃度を表す。
・「初期IPA/(IPA+水)」は、ポリマー溶媒溶液に水を添加した時点におけるポリマー混合溶媒溶液中の、イソプロピルアルコールと水との合計100質量部に対するイソプロピルアルコールの割合(質量部)を表す。
・「水蒸気導入方法」における「気相」は、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液中に浸漬しない位置に設置したことを表し、「液中吹込」は、吹込みノズルの端部をポリマー混合溶媒溶液中に浸漬した位置に設置したことを表す。
・「温度」及び「圧力」は、それぞれ、反応容器中の温度(ポリマー混合溶媒溶液の温度)及び圧力を表す。また、実施例5における矢印の左側に示される数値は、溶媒留去工程中の濃縮工程が始まるまでの温度又は圧力を表し、右側に示される数値は濃縮工程を開始した後の温度又は圧力を表す。
・「液粘度」は、ポリマー混合溶媒溶液の粘度(25℃)を表す。「開始時」はポリマー溶媒溶液に水を添加した時点におけるポリマー混合溶媒溶液の粘度を表し、「終了時」はポリマー混合溶媒溶液への水蒸気の導入を終了した時点でのポリマー混合溶媒溶液の粘度を表す。
「濃縮時」は、実施例5の濃縮工程を始めるときのポリマー混合溶媒溶液の粘度を表す。
比較例1〜3は、ポリマー混合溶媒溶液の粘度が低く、水蒸気を液中に吹き込んだときは激しく泡立ち、液中に吹き込まずに水蒸気を導入すると、水蒸気の導入量が多くなった。
Claims (11)
- 親水性溶媒の存在下、親水性モノマー及び疎水性モノマーを重合して両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液を得る重合工程と、
両親媒性ポリマーの親水性溶媒溶液に水を加えて、水及び親水性溶媒を含む混合溶媒を溶媒とする両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液の粘度(25℃)を10,000mPa・s以上300,000mPa・s以下とした後、親水性溶媒の0.1MPaにおける沸点以下の温度で、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液に対し、水蒸気を導入しながら両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液から親水性溶媒を留去する溶媒留去工程と
を含む両親媒性ポリマーの製造方法。 - 溶媒留去工程における両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー濃度が10質量%以上40質量%以下である請求項1に記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 溶媒留去工程における水蒸気の導入を終了するときの両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液の粘度が40,000mPa・s以上である請求項1又は2に記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 水蒸気は、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液の気液界面に向けて導入する請求項1〜3のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 親水性モノマーが、(メタ)アクリル酸である請求項1〜4のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 疎水性モノマーが、炭素数8以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステルである請求項1〜5のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 重合工程で、(メタ)アクリル酸(a1)及び炭素数8以上24以下の炭化水素基を有する(メタ)アクリル酸エステル(a2)を、質量比(a1)/(a2)が55/45〜90/10となる範囲で重合する請求項6に記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 溶媒留去工程が、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマー固形分100質量部当たりの親水性溶媒の割合が20質量部以下であるときに、両親媒性ポリマーの混合溶媒溶液中の両親媒性ポリマーの濃度を高めながら親水性溶媒を留去する両親媒性ポリマー濃縮工程を含む請求項1〜7のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- (メタ)アクリル酸がアクリル酸である請求項5〜8のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- (メタ)アクリル酸エステルが有する炭化水素基の炭素数が、12以上18以下である請求項6〜9のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
- 両親媒性ポリマーの重量平均分子量が5,000以上50,000以下である請求項1〜10のいずれかに記載の両親媒性ポリマーの製造方法。
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