JPH04504870A - 脂肪族炭化水素溶剤におけるビニルラクタムと重合性カルボン酸の共重合体の沈殿重合 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 脂肪族炭化水素溶剤におけるビニルラクタムと重合性カルボン酸の共重合体の沈 殿重合 久服旦背量 １、Ｒ更２分団 本発明はビニルラクタムと重合性カルボン酸の共重合体の沈殿重合に関し、特に 高収率で、白色粉末として生成する広い組成範囲を有し、および濾過および乾燥 しやすく、かつ有利な物理的特性を有する上記共重合体に関する。

２、従兄珠玉 ビニルラクタム、例えばビニルピロリドン（ＶＰ）またはビニルカプロラクタム （ＶＣＬ）　、および重合性カルボン酸、例えばアクリル酸（ＡＡ）またはメタ クリル酸（ＭＡＡ）の共重合体は写真工業に、塗料として、生物学的膜として、 医療解放系として、防腐剤として、油回収プロセスに、免疫化学に、および化粧 品材料に適用されている。

溶液重合および沈殿重合には、米国特許第３，０４４，８７３．３，８６２゜９ １５；および４．２８３．３８４号明細書；およびタケスキ氏ｒＪ、　Ｍａｋｒ 。

Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｓｃｉ、Ｊ　３３　、３７７（１９５８）に記載されているよ うに、上記共重合体を作るための２つの有利な方法がある。

反応体単量体および共重合体生成物が反応溶剤に溶解する場合には、溶液重合方 法が用いられている。しかしながら、この方法は次の欠点を有している： （１）共重合体の所望の組成物が選択溶剤に溶解しないこと；（２）かかる共重 合体の収率が低いこと；（３）共重合体が着色すること；（４）溶剤が共重合体 から分離し難い高沸点液体であること；および（５）溶剤が、酸性反応条件下で ビニルラクタムを著しく加水分解するプロトン性液体、例えば水またはその混合 物であることである。

単量体が反応溶剤に溶解し、かつ共重合体が溶剤に溶解しない場合には、沈殿重 合法が有利である。ベンゼン、テトラヒドロフラン、アセトンおよびメチルエチ ルケトンは知られている沈殿重合溶剤である。不幸にして、これらの溶剤は次に 示す１または２以上の欠点を有している： （１）使用する共重合体組成物が、プロセスを狭い共重合体組成範囲に制限する 選択反応溶剤に溶解しないこと；（２）共重合体が濾過し難いゼラチン状塊とし て沈殿すること；（３）重合体の収率が低いこと；および（４）溶剤が毒性であ ることである。

これらおよび他の理由のために、ビニルラクタムとアクリル酸との共重合体を作 るための現在の溶液重合および沈殿重合方法は工業的規模において達成すること が極めて困難である。

従って、本発明の目的はビニルラクタムと重合性カルボン酸との共重合体を作る 改良方法を提供することである。

本発明の他の目的は低い吸湿性、高いガラス転移温度、高い平均分子量、高分子 電解質挙動を包含する有利な物理的特性を有する共重合体を得ることができる沈 殿重合方法における有効な反応溶剤を提供することである。

また、本発明の他の目的は、共重合体をその全組成範囲にわたる反応溶剤に溶解 しない細かい白色粉末として高収率で沈殿することのできる沈殿重合方法を提供 することである。

本発明の１つの観点は、脂肪族炭化水素を反応溶剤として用いるビニルラクタム と重合性カルボン酸の共重合体を得る沈殿重合方法を提供することである。

本発明の他の観点は、反応溶剤をヘプタンおよびシクロヘキサンから選択する沈 殿重合方法によって作ったビニルラクタムと重合性カルボン酸の共重合体を提供 することである。

また、本発明の他の観点は、単量体の全組成範囲にわたるビニルラクタムと重合 性カルボン酸の共重合体を提供することであり、この共重合体は高い平均分子量 、低い吸湿性、高いガラス転移温度を有し、白色粉末をなし、高分子電解質挙動 を示し、およびｐＨ８の塩基性水溶液に溶解し、かつｐＨ３の酸性水溶液に溶解 しないことに特徴を有している。

余哩立橿皿、 本明細書においては、沈殿重合方法およびこれにより生成した共重合体生成物に ついて記載している。重合は、ビニルラクタム、例えばビニルピロリドンまたは ビニルカプロラクタム、および重合性カルボン酸、例えばアクリル酸またはメタ クリル酸の反応混合物を、重合開始剤、例えば遊離基開始剤の存在で脂肪族炭化 水素溶剤、好ましくは０３〜Ｃ＋ｏ飽和、側鎖または直鎖、環状または非環状化 合物、好ましくはへブタンまたはシクロヘキサンにおいて行う。

プロセスはビニルラクタム対重合性カルボン酸の重量比１：９９〜９９：１を有 し、しかも白色粉末としての共重合体を与え、この粉末は脂肪族炭化水素溶剤か ら容易に沈殿し、かつ濾過および乾燥しやすい。

上述する共重合体は、工業用として有利である独特の物理的および化学的特性を 有している。

発明の詳細な説明 本発明においては、ビニルラクタムと重合性カルボン酸の共重合体を脂肪族炭化 水素溶剤において重合開始剤の存在で行う沈殿重合方法によって作る。

使用するのに適当なビニルラクタムとしてはビニルピロリドン、ビニルカプロラ クタムおよびそのアルキル化ビニル誘導体を例示することができる。適当な重合 性カルボン酸としてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸およ びクロトン酸を例示できる。アクリル酸それ自体またはメタクリル酸は重合にお いて好ましい共反応体単量体である。これらの単量体は共重合体の全組成範囲に わたる重量比で、例えばｌ：９９重量％のビニルラクタムおよび９９：１重量比 のアクリル酸として用いることができる。従って、例えば９９：１．７５：２５ ．５０：５０．２５ニア５および１：９９の共重合体におけるＶＰ　：　ＡＡの 重量比は、本発明において実質的に定量的な収率で有利に得ることができる。

本発明における反応溶剤としては、側鎖または直鎖、環状または非環状の０３〜 Ｃ１゜飽和炭化水素が適当である。溶剤としてはＣＩＩ＝　Ｃａ脂肪族炭化水素 またはその混合物が好ましい。

他の既知の沈殿重合溶剤に対して好ましい脂肪族炭化水素溶剤はへブタンおよび シクロヘキサンから選択することができる。ヘプタン、すなわち、特に好ましい 溶剤は、濾過および乾燥しやすい細かい白色粉末として、所望の共重合体組成物 の沈殿物を高収率で生成する。この有益な結果は、ビニルピロリドンそれ自体が ヘプタンにおいて単独重合してゴム状生成物を生ずることから驚くべきことであ る。

本発明の方法における溶剤の使用量は、相当量の反応体も溶解し、かつ共重合体 沈殿物を重合の終わりにおいて撹拌しうる状態に維持するのに十分な程度にする 必要がある。一般に、約４０％まで、好ましくは１５〜２０％の固形分を反応混 合物中に維持するようにする。

本発明の沈殿重合方法は重合開始剤、好ましくは遊離基開始剤、特に好ましくは ペルオキシエステル、例えばｔ−ブチルペルオキシピバレートの存在で行うこと ができる。この場合、適業技術において知られ、または上述する引用文献に記載 されているアシルペルオキシド、アルキルペルオキシドおよびアゾニトリルのよ うな他の遊離基開始剤を用いることができる。

上記開始剤は広範囲にわたって変えることができ、一般に装填する単量体の全重 量に対して約０．２〜５．０重量％で用いることができる。

反応温度は広範囲にわたって変えることができ、一般に反応体を重合巾約５０〜 １５０℃、好ましくは６０〜７０℃に維持する。圧力は、一般に大気圧に維持す るが、しかし高いおよび低い圧力を用いることができる。

反応混合物は、重合中、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気下で激しく撹拌する必 要がある。ｌｌ・研究室用反応器において約４００〜６００　ｒｐｍの撹拌速度 が所望の重合を行い、かつ重合中、沈殿物を撹拌状態に維持するのに適当である 。

使用する単量体および開始剤は一般に入手しつる材料であり、これらを次に示す ： 単量体　供給元　形　態 メタクリル酸　アルドリッヒ社　液体 開始剤 本発明の沈殿重合方法は、先ず予定量のビニルラクタムを脂肪族炭化水素溶剤に 溶解した溶液を適当な反応器に予め装填し、この溶液を不活性ガス雰囲気下で激 しく撹拌しながら所望の反応温度に加熱することによって行うことができる。次 いで、開始剤を反応器に装填する。次いで、選定量の重合性カルボン酸、例えば アクリル酸を反応器に、一般に１時間またはこれ以上の時間にわたって添加する 。次いで、反応混合物を重合の生ずる付加時間にわたって保持する。最後に、混 合物を室温に冷却する。濾過、溶剤による洗浄および乾燥によって、共重合体を ほぼ定量的収率で、および実質的に反応器に導入した単量体の重量比によって予 め定められた組成で得ることができる。

あるいは、また脂肪族炭化水素溶剤を反応器に予め装填し、窒素で清浄にしくｐ ｕｒｇｅｄ）、反応温度に加熱し、開始剤を添加し、次いで反応器にビニルラク タム単量体およびアクリル酸単量体の分離流れを一定時間にわたって導入する。

他のプロセスバリエーションは適業技術者によって明らかなことである。

一般に、本発明における共重合体は次に記載するように高い平均分子量、低い吸 湿性および高いガラス転移温度を有し、かつ水において高分子電解質挙動を示す 特徴を有している。

ａ、盆玉屡 約７０のフィケンチャーに一値を有する７５：２５重量比のＶＰ　：　ＡＡ共重 合体についての重量平均分子量は、光の散乱によって測定して、約１８０．００ ０であった。

ｂ、吸湿性 共重合体の吸湿性はホモポリマーの重量平均より低い。この効果は、例えば約１ ：ｌのＶＰ：ＡＡモル比を有する共重合体にっいて最大となり、この場合吸湿性 は、実際に、いずれかのホモポリマーの値より低い。吸湿性は５０％相対温度に おける共重合体粉末の平衡水分吸収量によって測定する。

Ｃ，ガラス転移温　（Ｔ） この特性は、約１：１のビニルラクタム：アクリルまたはメタクリル酸モル比に おいて最も顕著に生ずる、典型的な挙動からの強い明確な偏りを生ずる共重合体 における強い水素結合の効果を示す。

ｄ、溶解度 共重合体は極めて異常な溶解度特性を示す：この共重合体はｐＨ３の酸性水溶液 に不溶であるが、しかしｐＨ８の塩基性溶液に溶解する。次の表Ｉには水および 有機溶剤における異なる組成の共重合体の溶解度特性を示している：表Ｉ ＶＰ／ＭＷ／Ｗ　９５１５　８５／１５７５／２５５０１５０２５／７５１０／ ９０ＶＰ／ＭＭ／Ｍ　９２／８　７９／２１６６／３４３９／６１１８／８２　 ７／９３水　５ＩＩＩＩＩ Ｏ，ｌＮＮａＯＨＳ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓメタノール　ＰＳ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　 ＩＤＭＦ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ　Ｓ ｗ　ｓ　ｓ　ｓ　ｓ　ｓ　ｓ アセトン　ＩＩＩＩＩＩ クロロホルム　ＰＳ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ記号 Ｐ・重合体 ■Ｐ：　ビニルピロリドン Ｍ＝ニアクリル ＤＭＦ・ジメチルホルムアミド 冒＝Ｎ−メチルピロリドン Ｗ／Ｗ・重量対重量 １＝モル対モル Ｓ・溶解 ■・不溶解 ＰＳ＝幾分溶解 ｅ−輩一厘 水における粘度は約４〜１２のｐＨ範囲においてｐＨに依存している。最大粘度 は約８〜９のｐＨで生ずる。希薄水溶液は高分子電解質挙動を示す。

次に、本発明を具体例に基づいて説明する。

１１．４−口反応がまに機械撹拌機、温度計、滴下漏斗および窒素パージ管を備 えた。この反応器に、７５ｇのビニルピロリドンを５００ｇのへブタンに溶解し た溶液を予め装填した。次いで、溶液を２０分間にわたり６５℃に加熱し、窒素 雰囲気下で撹拌しながら３０分間にわたり維持した。次いで、２６０μｍ　（０ ，０３ｇ）のｔ−ブチルペルオキシピバレート開始剤を添加した。次いで、２５ ｇのアクリル酸を１時間にわたり導入し、混合物を１時間維持した。次いで、追 加１４０μｍ２　（０，２ｇ）の開始剤を反応混合物に添加し、溶液を更に２時 間にわたり撹拌しながら６５℃に維持した。次いで、更に１００μｌの開始剤を 添加し、混合物を２時間にわたり維持した。

次いで、反応生成物を約１時間にわたり室温に冷却した。共重合体生成物の細い 白色粉末沈殿物を得、この沈殿物を濾過し、ヘプタンで２回洗浄し、１夜１００ ℃で乾燥し、次いで、真空炉において、再び１夜ｉｏｏ’ｃで乾燥した。

７５：２５重量比のＶＰ：ＡＡ共重合体を９７％の収率で得た。

２、　共重合　生成　の特性；に−値および・・−子量生成物は約７０のに一値 を有していた（０．　ＩＮ　ＮａＯＨおよび０．２Ｎ　ＬｉＮＯ３水溶液中、１ ％共重合体）。

共重合体の重量平均分子量は、ジメチルホルムアミド溶剤における光の散乱によ り測定して、約１８０．０００であった。

実施例２〜６ ９９、９５．５０．２５およびＩｇのビニルピロリドンおよびｌ、５゜５０、７ ５および９９ｇのアクリル酸を用いて実施例１に記載する処理を繰返し行い、相 当する９９：ｌ、　９５：５．５０：５０．２５ニア５および１：９９重量比の ＶＰ　：　ＡＡ共重合体を得た。

犬施何に互 ヘプタンの代わりにシクロヘキサンおよびヘキサンを用いて実施例１〜６に記載 する処理を繰返し行い、同様の結果を得た。

実施例９ ビニルピロリドンの代わりにビニルカプロラクタムを用いて実施例１〜８に記載 する処理を繰返し行い、相当するビニルカプロラクタム／アクリル酸共重合体を ９５〜ｌｏｏ％の収率で得た。

人施血土旦 アクリル酸の代わりにメタクリル酸を用いて実施例１〜８に記載する処理を繰返 し行い、相当するビニルピロリドン／メタクリル酸共重合体を９５〜１００％の 収率で得た。

実施例１１〜１４ 実施例１に記載する処理に引続いて、種々の共重合体組成物において異なる反応 溶剤を用いる効果を比較した。これらの結果を次の表２に示す。

表ＩＩ 異なる溶剤におけるＰ（ＶＰ／Ｍ）の沈殿重合共重合体Ｐ（ＶＰ／Ｍ）　（重量 で） １１　テトラヒドロフラン　−−−−Ｓ　Ｓ　Ｆ（１）１２　アセトン　Ｆ（２ ）　Ｆ（３）　−−−−−−１３ベンゼン　Ｆ（４）　Ｆ（５）　Ｓ　−−−− １４へブタン　ｓｓ　５ｓｓ Ｓ：成功（濾過しやすく、収率が高＜　（＞９０Ｘ）、白色粉末である）。

Ｆ：不成功（次の（１）〜（５）の理由による）。

（１）ゴム状生成物が重合中に生成した。

（２）　ＩＯＸの黄色い塊状生成物、９０Ｘの生成物が溶液に残留した。

（３）　３６Ｘの黄色い塊状生成物、６４Ｘの生成物が溶液に残留した。

（４）濾過し難い粘性の溶液であった。

（５）　６７Ｘの僅かに黄色い塊状生成物、３３Ｘの生成物がベンゼン溶液に残 留した。

上記表２に示す比較例１１〜１４の結果は、ビニルピロリドンとアクリル酸の沈 殿重合における溶剤の選択性について示している。成功の生成物は単量体の全組 成範囲にわたるヘプタンにおいて得られたのに対して、二三の点において望まし くない不成功の生成物は溶剤としてテトラヒドロフラン、アセトンまたはベンゼ ンによって明らかである。

本発明の共重合体生成物は増粘剤、接着剤のような用途に、紙の製造およびその 被覆に、イオン交換樹脂および膜に、制御解放重合体に、分散剤として織物サイ ジング剤（ｔｅｘｔｉｌｅ　ｓｉｚｉｎｇｓ）に、油回収薬品に、ボイラーにお ける抗スケーリング剤（ａｎｔｉ−ｓｃａｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔｓ）として表面 清浄に、およびパーソナル　ケア製品（ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｃａｒｅ　ｐｒｏｄ ｕｃｔｓ）に、特に有用であることを確かめた。

本発明をある具体例について説明したが、本発明は本明細書および特許請求の範 囲の記載を逸脱しないかぎり、種々変更を加えることができる。

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. １．ビニルラクタムおよび重合性カルボン酸を、脂肪族炭化水素溶剤において重 合開始剤の存在で共重合することを特徴とするビニルラクタムと重合性カルボン 酸の共重合体を生成する沈殿重合方法。
2. ２．前記溶剤を側鎖または直鎖、環状または非環状のＣ３〜Ｃ１０飽和炭化水素 とする請求の範囲１記載の方法。
3. ３．前記溶剤をＣ５〜Ｃ８化合物とする請求の範囲２記載の方法。
4. ４．前記脂肪族炭化水素をヘプタンまたはシクロヘキサンとする請求の範囲１記 載の方法。
5. ５．前記溶剤をヘプタンとする請求の範囲２記載の方法。
6. ６．前記ビニルラクタムをビニルピロリドンまたはビニルカプロラクタムとする 請求の範囲１記載の方法。
7. ７．重合性カルボン酸単量体をアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイ ン酸またはクロトン酸とする請求の範囲１記載の方法。
8. ８．重合開始剤を遊離基開始剤とする請求の範囲１記載の方法。
9. ９．前記開始剤をエポキシエステルとする請求の範囲５記載の方法。
10. １０．前記ビニルラクタムをビニルピロリドンとする請求の範囲６記載の方法。
11. １１．前記単量体をアクリル酸またはメタクリル酸とする請求の範囲７記載の方 法。
12. １２．反応混合物におけるビニルラクタム対アクリル酸の重量比を１：９９〜９ ９：１の範囲にする請求の範囲１１記載の方法。
13. １３．共重合体を溶液から粉末として沈殿させ、濾過し、および乾燥する段階を 含む請求の範囲１記載の方法。
14. １４．重合を不活性ガス下で撹拌しながら約５０〜１５０℃で行う請求の範囲１ 記載の方法。
15. １５．共重合体を溶剤から白色粉末として沈殿させる請求の範囲１３記載の方法 。
16. １６．溶剤は、重合中、反応体を溶液に維持し、かつ共重合体沈殿物を撹拌しう る状態に維持するのに十分な量で存在させる請求の範囲１記載の方法。
17. １７．約４０％までの固形分を反応混合物に存在させる請求の範囲１記載の方法 。
18. １８．約１５〜２０％の固形分を重合中存在させる請求の範囲１７記載の方法。
19. １９．共重合体生成物が低い吸湿性、高いガラス転移温度および高い平均分子量 を有し、かつ副生物を実質的に含まないことに特徴を有する請求の範囲１記載の 方法。
20. ２０．沈殿重合反応は、ビニルラクタムを脂肪族炭化水素溶剤に溶解した溶液を 予め装填し、次いで開始剤を添加し、次いでこれにカルボン酸を供給することに よって行う請求の範囲１記載の方法。
21. ２１．カルボン酸は、反応混合物を撹拌しながら予定時間にわたって添加する請 求の範囲２０記載の方法。
22. ２２．反応混合物は主としてビニルピロリドンまたはビニルカプロラクタムを含 有する請求の範囲１２記載の方法。
23. ２３．脂肪族炭化水素溶剤を反応器に予め装填し、不活性ガスで清浄にし、反応 温度に加熱し、開始剤を添加し、次いでビニルラクタム単量体およびカルボン酸 単量体の分離流れを反応器に一定時間にわたって導入する請求の範囲１記載の方 法。
24. ２４．１：９９〜９９：１のビニルラクタム対カルボン酸の組成重量比、高い平 均分子量、低い吸湿性および高いガラス転移温度を有し、前記範囲にわたりヘプ タンに不溶性の白色粉末で、水において高分子電解質挙動を示し、およびｐＨ８ の塩基性水溶液に可溶性で、かつｐＨ３の酸性水に不溶性であるビニルラクタム と重合性カルボン酸の共重合体。
25. ２５．前記ビニルラクタムはビニルピロリドンおよびビニルカプロラクタムから 選択し、および前記カルボン酸単量体はアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸 、マレイン酸およびクロトン酸から選択する請求の範囲２４記載の共重合体。
26. ２６．前記ビニルラクタムが前記共重合体に主として含有する請求の範囲２５記 載の共重合体。
27. ２７．前記重合性カルボン酸をアクリル酸またはメタクリル酸とする請求の範囲 ２４記載の共重合体。