JP2004346331A

JP2004346331A - 塩化ビニル系重合体の製造方法

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Publication number: JP2004346331A
Application number: JP2004210088A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sakamoto; 聖彦坂本; Tatsuya Ozaki; 達也尾崎; Isao Kono; 功河野
Original assignee: Shin Dai Ichi Vinyl Corp
Current assignee: Shin Dai Ichi Vinyl Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JP3848955B2

Abstract

【課題】重合反応に関連する各段階に適した重合器の攪拌を行って、凝集物の生成が少なく、機械的安定性の良い、かつ、残存単量体の少ないラテックスの得られる塩化ビニル系重合体の製造方法を提供する。
【解決手段】重合反応が微細懸濁重合又は播種微細懸濁重合であり、単位内容積当りの正味攪拌所要動力を、重合率０から４０重量％未満の期間は第１段目の攪拌として０．０８〜０．２ｋＷ／ｍ^３とし、重合率４０重量％から７５重量％未満の期間は、第２段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の５０〜１００％とし、重合率７５重量％以降の重合反応期間は第３段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の１５〜５０％に減速させ、重合反応終了後の未反応単量体回収時は、第４段目の攪拌として０．０００１〜０．０００８ｋＷ／ｍ^３とする塩化ビニル系重合体の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、塩化ビニル系重合体ラテックスの製造方法に関する。詳しくは、本発明は、重合反応中に攪拌条件を変更することにより凝集物が少なく、機械的安定性の良い、かつ、残存単量体の少ない塩化ビニル系重合体ラテックスの製造方法に関する。

塩化ビニル系重合体のラテックスや、ペーストレジンを得る方法としては、水を分散媒とし、単量体、界面活性剤、油溶性の重合開始剤等の混合物を、ホモジナイザ等を用いて微細な液滴に分散させたのち重合する微細懸濁重合や、微細懸濁重合で得られた重合体の懸濁液を種子粒子として更に被覆重合を行う播種微細懸濁重合等が行われている。
これらの微細懸濁重合または播種微細懸濁重合においては、重合反応に伴う反応熱の除去や反応の場への単量体の供給を目的として攪拌機により攪拌が行われる。この攪拌は、弱すぎれば熱除去ができずに反応温度が上昇し、品質上及び安全上の問題をひき起こしたり、重合反応の場に有効に単量体が供給されずに反応が遅延することになり、逆に、強すぎれば生成、成長しつつある重合体粒子を凝集させてスケールや粗粒を生じさせたり、ラテックスの機械的安定性を損い、時としてクリーム状の内容物は蓄熱し易いため、やはり品質上及び安全上の問題を惹起する。そのため、これまで中間のある一定の強さの攪拌条件を採用して重合反応が行われてきた。しかし、その一定の強さは現実には重合反応過程で最もラテックスの機械的安定性の弱い後半期におけるラテックスの安定性を損わない範囲で設定されるので、重合の初期段階で反応が単量体の拡散律速の状態であっても緩慢な反応を容認することになり、また、重合反応終了後の未反応単量体の回収に際しては、ラテックスの機械的安定性が重合反応の後半期より一層弱いため攪拌を止めて実施せざるを得ず、その結果未反応単量体はラテックスの内部から有効に回収することが困難であった。

本発明は、上記の問題に鑑み、重合反応に関連する各段階に適した重合器の攪拌を行って、凝集物の生成が少なく、機械的安定性の良い、かつ残存単量体の少ないラテックスの得られる塩化ビニル系重合体の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、攪拌の強さを工程及び重合率を基準として定め、微細懸濁重合、播種微細懸濁重合のそれぞれにおいて、重合率の変化に応じた正味攪拌所要動力を設定することにより、重合反応が効率的で、機械的安定性が良く、かつ残留単量体の少ない重合体ラテックスを得ることができることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、重合反応が微細懸濁重合又は播種微細懸濁重合であり、単位内容積当りの正味攪拌所要動力を、重合率０から４０重量％未満の期間は第１段目の攪拌として０．０８〜０．２ｋＷ／ｍ³ とし、重合率４０重量％から７５重量％未満の期間は、第２段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の５０〜１００％とし、重合率７５重量％以降の重合反応期間は第３段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の１５〜５０％に減速させ、重合反応終了後の未反応単量体回収時は、第４段目の攪拌として０．０００１〜０．０００８ｋＷ／ｍ³ とすることを特徴とする塩化ビニル系重合体の製造方法、を提供するものである。

本発明方法により、凝集物の生成が少なく、機械的安定性の良い、かつ、残存単量体の少ない塩化ビニル系重合体ラテックスが得られる。

本発明方法は、塩化ビニル又は塩化ビニル及びこれと共重合し得るエチレン系不飽和単量体の微細懸濁重合及び播種微細懸濁重合に適用することができる。本発明方法を塩化ビニル及びこれと共重合し得るエチレン系不飽和単量体の共重合に適用する場合には、単量体混合物中の塩化ビニルの量が５０重量％以上であることが好ましく、７５重量％以上であることがより好ましい。本発明方法において、塩化ビニルと共重合し得るエチレン系不飽和単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン等のオレフィン系化合物；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル；アクリル酸、メタクリル酸等の不飽和モノカルボン酸；アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸−ｎ−ブチル、アクリル酸−２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチル等の不飽和モノカルボン酸エステル；アクリルアミド、メタクリルアミド等の不飽和アミド；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の不飽和ニトリル；マレイン酸、フマール酸等の不飽和ジカルボン酸；これらのエステル及びこれらの無水物；Ｎ−置換マレイミド類；ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル等のビニルエーテル；更に塩化ビニリデン等のビニリデン化合物等を挙げることができる。

本発明方法においては、重合反応中は重合率に応じて、また重合反応終了後に攪拌の強さをそれぞれの段階に適した条件に設定する。本発明方法において、重合反応中の重合率を測定する方法には特に制限はなく、光散乱法による重合体粒子の粒子径、重合体粒子の濃度等から重合率を求めることができ、あるいは、重合器のジャケットの冷却水の水温、流量及び重合温度変化から重合器内の重合反応による発熱量を積算し、重合率を求めることもできる。これらの方法の中で、ジャケットの冷却水の水温、流量及び重合温度変化から重合率を求める方法は、時間的な遅れがなく重合器内の重合率を求め、かつそのデータを攪拌機の電動機に伝達して、正味攪拌動力を直接製造することができるので、特に好適に使用することができる。本発明方法に使用する重合器の形状には特に制限はなく、例えば、外部ジャケット又は内部ジャケットを有する重合器を用いることができる。また、還流凝縮器を設置することも可能である。これらの中で、内部ジャケットを有する重合器は、伝熱損失が小さく、重合器内の発熱量を正確に測定し、重合率を正確に求めることができるので、特に好適に使用することができる。重合器内の攪拌方法には特に制限はなく、例えば、ファウドラー翼、多段ファウドラー翼、パドル翼、多段パドル翼、ブルーマージン翼、アンカー翼、ループ翼、マックスブレンド翼、フルーゾーン翼等を使用することができる。また、バッフルも特に制限はなく、パイプバッフル、フィンガーバッフル、Ｄ型バッフル等を使用することができる。
単位内容積当りの正味攪拌所要動力は数１式により算出される。

ここに、Ｐv ：単位内容積当りの攪拌所要動力（ｋＷ／ｍ³ ）
Ｐ：攪拌動力（ｋＷ）
Ｖ：液容量（ｍ³ ）
ＮＰ：動力数、攪拌翼固定値であり、経験値を採用する。
例．ファウドラー翼・アンカー翼：１．５、マックスブレンド翼・フルゾーン翼：２．５、ループ翼・アンカー翼：１．０ρ ：液密度（ｋｇ／ｍ³ ）
ｎ：回転数（１／ｓｅｃ）
ｄ：攪拌翼径（ｍ）
ｇc ：動力換算係数〔（ｋｇ・ｍ）／（ｋｇ・ｓｅｃ²）〕
また単位内容積当りの正味攪拌所要動力の別の求め方として、重合器の撹拌機の電動機の電流計による方法がある。予め重合器が空の段階で撹拌機を回し、変速機または減速機及び撹拌機自体の回転駆動の負荷を電流計で知り、これを重合反応時の電流計の読みから差引いた値に実効電圧を乗じ、液容量で除すことにより求められる。

微細懸濁重合においては、先ず水性媒体中に、塩化ビニル又は塩化ビニル及びこれと共重合し得るエチレン系不飽和単量体の混合物、油溶性重合開始剤、乳化剤、必要に応じて高級脂肪酸等の重合助剤、その他の添加剤を加えてプレミックスし、ホモジナイザにより均質化処理して油滴の粒径調節を行う。ホモジナイザとしては、例えば、コロイドミル、振動撹拌機、二段式高圧ポンプ等を用いることができる。均質化処理した液を重合器に送り、緩やかに攪拌しながら重合器内の温度を上げて重合反応を開始し、以後所定の転化率に達するまで重合を行う。重合温度は、３０〜８０℃であることが好ましい。油溶性重合開始剤としては、例えば、アセチルパーオキシド、３，５，５−トリメチルヘキサノイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド等のジアシルパーオキシド；メチルエチルケトンパーオキシド等のケトンパーオキシド；ベンゾイルヒドロパーオキシド、クメンヒドロパーオキシド、ｐ−シメンヒドロパーオキシド、ジイソプロピルベンゼンヒドロパーオキシド、ｐ−メンタンヒドロパーオキシド等のヒドロパーオキシド；ｔ−ブチルパーオキシピバレート等のパーオキシエステル；ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ジエチルヘキシルパーオキシジカーボネート等のパーオキシジカーボネート；アセチルシクロヘキシルスルホニルパーオキシド等のスルホニルパーオキシド等の有機過酸化物；これらの有機過酸化物とロンガリット等の還元剤を組み合わせた酸化還元型重合開始剤；２，２′−アゾビスイソブチロニトリル、２，２′−アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２′−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２′−アゾビス（４−メトキシ−２，４−ジメチルバレロニトリル）等のアゾ化合物等を挙げることができる。乳化剤としては、前記の乳化重合に用いられる乳化剤と同様のものが例示される。

播種微細懸濁重合においては、重合器に純水、粒子中に重合開始剤が残存する種子重合体等を仕込み、重合器内の脱気あるいは必要に応じて窒素等の不活性気体による置換を行い、乳化剤及び塩化ビニル又は塩化ビニル及びこれと共重合し得る単量体の混合物を仕込み、緩やかに攪拌しながら重合器内の温度を上げて重合を開始する。重合温度は、３０〜８０℃であることが好ましい。乳化剤としては、前記の乳化重合に用いられる乳化剤と同様のものが例示される。播種微細懸濁重合の場合は、重合開始剤を新たに添加する必要はない。
本発明において、微細懸濁重合又は播種微細懸濁重合の場合は、重合率が０から４０重量％未満の期間は攪拌を第１段目の攪拌の動力として、数１式や空駆動の負荷を差引いた攪拌器の電流計の読みから求められる単位容積当りの正味攪拌動力が０．０８〜０．２ｋＷ／ｍ³ 、好ましくは０．１〜０．１８ｋＷ／ｍ³ にて反応を行う。攪拌動力が０．０８ｋＷ／ｍ³ 未満であると、伝熱速度が小さくて除熱できずに内温上昇を起こしたりする。また、攪拌動力が０．２ｋＷ／ｍ³より大きいと、生成成長しつつある重合体粒子の凝集を惹起してコアギュラムやスケールを発生させたり、ラテックスの機械的安定性を低下させたりする。重合率が４０重量％から７５重量％未満までの期間は第２段目の攪拌を、第１段目の攪拌の動力の５０〜１００％、好ましくは６０〜１００％の範囲として重合反応を続ける。攪拌動力が第１段目の攪拌の動力の６０％より小さいと、伝熱速度が小さくて除熱できずに内温上昇を起こしたりする。逆に１００％を越えると、生成成長しつつある重合体粒子の凝集を惹起してコアギュラムやスケールを発生させたり、ラテックスの機械的安定性を低下させたりする。重合率が７５重量％以降の重合反応の期間は、第３段目の攪拌を、第１段目の攪拌の１５〜５０％、好ましくは２０〜３０％の範囲として重合反応を行う。攪拌動力が第１段目の攪拌の動力の１５％より小さいと、伝熱速度が小さくて除熱できずに内温上昇を起こしたりする。一方、５０％より大きいと、生成成長しつつある重合体粒子の凝集を惹起してコアギュラムやスケールを発生させたり、ラテックスの機械的安定性を低下させたりする。

微細懸濁重合又は播種微細懸濁重合においては、通常、重合率８５〜９５重量％において重合反応を終了する。重合反応終了後未反応単量体を回収する際、重合器内の生成ラテックスは機械的安定性が低いので、第４段目の攪拌として、単位容積当りの正味攪拌所要動力を０．０００１〜０．０００８ｋＷ／ｍ³ 、好ましくは０．０００２〜０．０００５ｋＷ／ｍ³ に設定する。攪拌が０．０００１ｋＷ／ｍ³ 未満であると液内部からの未反応単量体の回収が不十分になり、攪拌動力が０．０００８ｋＷ／ｍ³を越えると重合体粒子が凝集し、スケールやコアギュラムが生成する。未反応単量体の回収時の攪拌を、本発明の目的を逸脱しない限り、上記の攪拌所用動力の範囲内で運転しつつ短時間停止する、オン−オフ運転してもよい。本発明方法によれば、重合率に従って、また、重合反応後の単量体回収操作に際して攪拌動力を製造するので、各段階に適した攪拌を採用することにより、重合反応が効率的で、重合体凝集物の生成が少なく、また、得られるレテックスは機械的安定性が良く、かつ、残留単量体が少ないものとなる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。なお、実施例及び比較例において、塩化ビニル系重合体ラテックスの評価は下記の方法により行った。
（１）凝集物量得られたラテックスを、６０メッシュの金網でろ過し、金網上の凝集物を取得し、また、重合器内壁の付着物をかき取り、合わせて乾燥後の重量を測定し、仕込み単量体に対する凝集物の重量％で表した。
（２）中心粒子径レーザー散乱粒径分布測定装置［マルバーン社製、マスターサイザーＭＳ−２０］を用いて測定した。
（３）機械的安定性攪拌翼の長さ８５ｍｍの撹拌機を備えた容量５リットル、内径１５８ｍｍのフラスコにラテックス５リットルを入れ、７０℃で、２７５ｒｐｍで攪拌し、攪拌開始から粒子が凝集しはじめるまでの時間を測定し、累積動力を計算した。
（４）残留単量体未反応単量体回収工程終了後の固形分濃度既知のラテックスを試料とし、１００℃に加熱して気化したガス中の塩化ビニル単量体量をガスクロマトグラフィーで測定し、重合体に対する重量割合で表示する。
装置：（株）島津製作所製、ＧＣ−１７Ａ、ＦＩＤ付カラム：ＤＢ−ＷＡＸ、０．５３ｍｍ×３０ｍ、膜厚み１μｍ温度：カラム６０℃、検出１５０℃キャリアー：窒素、３０ｍｌ／ｍｉｎ

実施例１
塩化ビニル１００重量部に対してドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム０．５重量部、ステアリルアルコール０．６７重量部、ラウロイルパーオキサイド０．５重量部を用いて反応温度４８℃で微細懸濁重合を行って得た中心粒子径０．５５μｍの重合体粒子を固形分濃度２７重量％含有するラテックス１０Ｋｇを、翼径２６０ｍｍ、翼幅７５ｍｍのファウドラー攪拌翼を備えた槽径５００ｍｍ、槽長４７０ｍｍ、内容積１００リットルのグラスライニング重合器に入れ、更に脱イオン水３０ｋｇおよびドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム２００ｇを添加し、真空脱気後塩化ビニル３６ｋｇを仕込んで攪拌翼を１００ｒｐｍで回転しつつ内容物を６２℃に昇温して重合を開始した。重合器内の圧力が０．５ｋｇ／ｃｍ² 低下する重合率７５重量％の時点で攪拌翼の回転数を５５ｒｐｍに下げて重合を続け、重合器内の圧力が１．５ｋｇ／ｃｍ² Ｇに低下した重合率８８％の時点で重合反応を終了し、攪拌翼の回転数を１５ｒｐｍに下げて内容物温度を６５〜７５℃に上げて未反応単量体を回収した。その後内容物を取出した。評価結果を表１に記す。

実施例２
攪拌翼を翼径２６０ｍｍ、翼幅７５ｍｍのファウドラー攪拌翼の代わりに翼径２６０ｍｍのマックスブレンド翼を用い、攪拌機回転条件を下記のようにしたほかは実施例１と同様に行った。攪拌機回転条件は、重合開始時は８０ｒｐｍとし、そのまま継続して、重合率７５％の時点で４５ｒｐｍに減速させ、重合率８８％の時点で重合を終了させ攪拌条件を１０ｒｐｍに下げて未反応モノマー回収工程に入った。評価結果を表１に示す。

実施例３
攪拌翼を翼径２６０ｍｍ、翼幅７５ｍｍのファウドラー攪拌翼の代わりに翼径２６０ｍｍのループ翼を用い、攪拌機回転条件を下記のようにしたほかは実施例１と同様に行った。攪拌機回転条件は、重合開始時は１１０ｒｐｍとし、そのまま継続して、重合率７５％の時点で６０ｒｐｍに減速させ、重合率８８％の時点で重合を終了させ攪拌条件を１５ｒｐｍに下げて未反応モノマー回収工程に入った。評価結果を表１に記す。

比較例１
重合率７５重量％になっても攪拌を減速せず、未反応単量体回収時攪拌を行なわなかったほかは実施例１と同様に行った。評価結果を表１に示す。

比較例２
重合率７５重量％時に単位内容積当りの正味攪拌所要動力を前段重合開始時の５５％に下げ、未反応単量体回収時に攪拌を行なわなかったほかは実施例１と同様に行った。評価結果を表１に示す。

比較例３
重合率７５重量％時の単位内容積当りの正味攪拌所要動力を前段重合開始時の１７％に下げ、未反応単量体回収時に攪拌を行なわなかったほかは実施例１と同様に行った。評価結果を表１に記す。

比較例４
重合率７５重量％時に単位内容積当りの正味攪拌所要動力を前段重合開始時の１９％に下げ、未反応単量体回収時に攪拌を行わなかったほかは実施例１と同様に行った。評価結果を表１に記す。

比較例５
重合率７５重量％時に単位内容積当りの正味攪拌所要動力を前段重合開始時の１７％とし、未反応単量体回収時の単位内容積当りの正味攪拌所要動力を０．０２ｋＷ／ｍ³ としたほかは実施例１と同様に行った。評価結果を表１に示す。

本発明の要件を具備した播種微細懸濁重合法を採った実施例１〜３はいずれも凝集物量が少なく、機械的安定性の良い、かつ残存単量体の少い塩化ビニル重合体ラテックスを与えた。しかし、重合反応開始時の正味攪拌所要動力を重合終了まで継続し、かつ、未反応単量体回収時に攪拌を行わなかった比較例１及び、重合率７５重量％時に攪拌を減少させたものの本発明の規定より大きく、また、未反応単量体回収時に攪拌を行わなかった比較例２は、凝集物の生成が多く、ラテックスの機械的安定性が弱く、また未反応単量体残存量が多い結果を与えた。重合反応全体における攪拌条件は本発明の規定を満していても、未反応単量体回収時に攪拌を行わなかった比較例３では凝集物量が少なく、ラテックスの機械的安定性は良いものの、未反応単量体残存量が多かった。重合率７５重量％時に攪拌を本発明の規定を下まわるまで小さく減少させ、かつ、未反応単量体回収時に攪拌を行わなかった比較例４は、凝集物量は少なく、ラテックスの機械的安定性は高いが、重合反応末期に除熱困難となり内温上昇を起こした。また、未反応単量体残存量が多い結果となった。重合反応全体における攪拌条件は本発明の規定を満していても、未反応単量体回収時の攪拌が本発明の規定範囲まで弱めなかった比較例５では、凝集物量が多く、ラテックスの機械的安定性が低かった。

Claims

重合反応が微細懸濁重合又は播種微細懸濁重合であり、単位内容積当りの正味攪拌所要動力を、重合率０から４０重量％未満の期間は第１段目の攪拌として０．０８〜０．２ｋＷ／ｍ³ とし、重合率４０重量％から７５重量％未満の期間は、第２段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の５０〜１００％とし、重合率７５重量％以降の重合反応期間は第３段目の攪拌として、第１段目の攪拌の動力の１５〜５０％に減速させ、重合反応終了後の未反応単量体回収時は、第４段目の攪拌として０．０００１〜０．０００８ｋＷ／ｍ³ とすることを特徴とする塩化ビニル系重合体の製造方法。