JPH0579252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ポリマー粒子の表面から内部まで多
孔質で、粒径分布がせまいポリマー粒子（多孔質
均一ポリマー粒子）の製法に関する。さらに詳し
くは、イオン交換樹脂用母材、クロマトグラフイ
ー用充填材、酵素固定用担体、アフイニテイーク
ロマトグラフイー用担体などの用途に利用されう
る多孔質均一ポリマー粒子の製法に関する。

［従来の技術・発明が解決しようとする課題］ 球状ポリマー粒子の製法として分散法とスプレ
ー法が知られている。

分散法では、 界面活性剤を含む分散媒体中にポリマーの希
薄溶液を小滴状に分散させ、該小滴状のポリマ
ー溶液から溶媒を揮発させて固化させる（特開
昭56−24430号公報参照） この分散液に小滴の凝固剤を徐々に加えて固
化させる（特開昭57−159801号公報参照） などの方法で球状ポリマー粒子がえられている。

しかし、この方法でえられる粒子は広い粒径分
布を有する上、固化した小滴から溶媒、分散媒
体、界面活性剤などを除くためには、水洗だけで
は不充分で、有機溶媒による洗浄が必要である。

分散法の別法として、重合性モノマーを分散媒
体中に分散させたのち重合させて球状ポリマー粒
子をうる方法も知られている。この方法でえられ
た粒子を電子顕微鏡で拡大してみると、微小な球
状粒子が凝集して球状粒子になつていることが観
察される。

かかる方法によつてえられた粒子も広い粒径分
布を有している上、該粒子の懸濁液をマグネチツ
クスターラーなどで攪拌すると、前記構造に起因
すると思われる微小なポリマーくずが多量に発生
する。

一方、スプレー法では、ポリマー溶液を凝固剤
中に噴霧することによつて、球状ポリマー粒子が
製造される。この粒子も粒径分布が広く、また粒
径も比較的大きい（特開昭52−129788号公報参
照）。

近年、一定の流速の液体の噴流に周期的な乱れ
を与えて均一な大きさの液滴をうる技術（以下、
振動法という）が開発されており、重合性モノマ
ーを分散媒体中に分散させて重合させる方法に適
用して、粒径分布のせまい球状ポリマー粒子をう
る方法がすでに提案されている（特開昭57−
102905号公報参照）。

しかしながら、この粒子には、すでに分散法で
のべたのと同様に、ポリマーくずが発生しやすい
という欠点がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、前記従来法における諸欠点を解
消し、微小なポリマーくずが発生しない球状の多
孔質均一ポリマー粒子を容易に製造しうる方法を
見出すため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成
するに至つた。

すなわち本発明は、曇点を有するポリマー溶液
を、一定の流速で一定の周期的な乱れを加えなが
ら均一な大きさの液滴として溶液状態で開口部か
ら気相中に噴出させ、同符号の電荷を帯電させた
のち、該液滴を曇点以下の温度にしてから、該液
滴に自然に濡れるほどの表面張力を有する該液滴
の凝固液中に侵入させ、凝固させることを特徴と
する多孔質均一ポリマー粒子の製法に関する。

［実施例］ 本発明においては曇点を有しうるポリマー溶液
が使用される。

前記曇点を有しうるとは、ポリマーを溶媒に溶
解させたのち、えられた溶液を冷却する、良溶媒
と貧溶媒または非溶媒とを用いた溶液から良溶媒
の一部を蒸発させる、溶液に貧溶媒を吸収させる
などしたばあいに曇点が生じることをいう。上記
のようにして曇点以下の温度になると、ポリマー
溶液はポリマーの凝集した相と溶媒が主体となつ
た相に分離し、この状態のものを凝固させれば３
次元網目状構造のものがえられる。

前記ポリマー溶液を構成するポリマーの種類、
分子量などにはとくに限定はなく、曇点を有しう
るポリマー溶液を調製しうるポリマーであるかぎ
りいかなるものも使用しうる。

このようなポリマーの具体例としては、たとえ
ばセルロース、セルロース誘導体、再生セルロー
スなどのセルロース系ポリマー；絹フイブロイン
などの絹系ポリマー；キトサンなどのキチン系ポ
リマー、コラーゲン、アルギン酸塩、カラギーナ
ン、デンプンのごとき天然系ポリマー；ポリアク
リロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリ
ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリスチレ
ン、ポリ酢酸ビニル、ポリクロルメチルスチレ
ン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニルなど
のビニル系ポリマーまたはこれらポリマーとなる
ビニル系単量体同士、さらには他の単量体との共
重合系ポリマー、たとえばエチレン、−ビニルア
ルコール共重合体など；６ナイロン、６，６ナイ
ロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレ
ンテレフタレート、ポリスルホン、または種々の
ポリウレタン、ポリアミノ酸のごとき縮重合系ポ
リマーなど、それぞれのポリマーに適した溶媒に
溶解させて曇点を有しうるポリマー溶液を調製し
うる合成系ポリマーなどがあげられる。

前記ポリマー溶液を構成する溶媒にもとくに限
定はなく、曇点を有しうるポリマー溶液を製造し
うる溶媒であるかぎり使用しうる。

たとえばポリマーが二酢酸セルロースのばあ
い、溶液の温度を下げるだけで曇点が生じる溶媒
の具体例としては、たとえばジメチルホルムアミ
ド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシ
ド、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの難揮発性
良溶媒と、たとえばエチレングリコール、プロピ
レングリコール、グリセリンなどの多価アルコー
ルのような難揮発性非溶媒との混合溶媒など、溶
液から良溶媒の一部を蒸発させて曇点以下の温度
にするばあいの溶媒の具体例としては、たとえば
アセトン、テトラヒドロフラン、ジオキサンなど
の揮発性良溶媒と、たとえばエタノール、プロパ
ノール、ブタノール、水、エチレングリコール、
プロピレングリコール、グリセリン、ホルムアミ
ドなどの比較的難揮発性〜難揮発性の非溶媒との
混合溶媒など、溶液に貧溶媒または非溶媒を吸収
させて曇点以下の温度にするばあいの溶媒の具体
例としては、たとえば前記の難揮発性良溶媒に、
曇点が気相の温度未満になるように難揮発性の非
溶媒を加えた混合溶媒など、吸収させるガス状の
非溶媒の具体例としては、水、メタノール、エタ
ノールなどの揮発性貧溶媒などがあげられる。

前記のごとき曇点を有しうるポリマー溶液の濃
度、粘度などにもとくに限定はないが、本発明で
はポリマー溶液を溶液の状態で一定の流速で一定
の周期的な乱れを加えながら均一な大きさの液滴
として開口部から気相中に噴出させなければなら
ないから、曇点より高い温度で20〜2000cP程度
の粘度であるのが好ましく、50〜1000cP程度で
あるのがさらに好ましい。前記粘度が20cP程度
未満になると液体中のポリマーの濃度が低すぎる
ため、えられるポリマー粒子の強度が弱くなり、
2000cP程度をこえると、均一な粒径を持つた液
滴が形成されにくくなる傾向にある。

前記のごとき粘度のポリマー溶液を与える溶液
濃度は、通常３〜30％（重量％、以下同様）程
度、好ましくは５〜20％程度である。

前記ポリマー溶液を開口部から気相中に噴出さ
せる際の流速としては、通常３〜30m／秒、好ま
しくは５〜20m／秒程度が採用されるが、これら
の範囲に限定されるものではなく、ポリマー溶液
粘度や後述するポリマー溶液噴出時に加える一定
の周期的な乱れ、開口部の大きさなどに応じて適
宜選択して設定すればよい。

前記ポリマー溶液を開口部から気相中に噴出さ
せる際の周期的な乱れとしては、通常1000〜
40000Hz、好ましくは2000〜30000Hz程度が採用さ
れるが、これらの範囲に限定されるものではな
く、ポリマー溶液濃度や開口部から気相中に噴出
させる際の流速、開口部の大きさなどに応じて適
宜選択して設定すればよい。

前記開口部とは、たとえば特開昭62−191033号
公報などに記載のごとき装置のノズルの中央部に
設けられた通常複数個の孔のことであり、一般に
円形状で、その孔径が10〜500μm程度、好ましく
は20〜300μ程度のものである。開口部の大きさ、
形状などは製造する多孔質均一ポリマー粒子の大
きさに応じて適宜選択すればよい。

前記気相の具体例としては、たとえば空気、曇
点を有しうるポリマー溶液から形成された液滴を
曇点以下の温度にするために液滴に吸収させる非
溶媒、たとえばポリマーが酢酸セルロースのばあ
いには前記の非溶媒などを気体状態にしたものを
含む環境、さらには液滴中に存在する良溶媒を揮
発させて曇点以下の温度になるようにした環境な
どがあげられる。

このような気相の温度、圧力などにはとくに限
定はないが、温度を下げて曇点をださせるばあい
には室温程度であるのが好ましく、液滴中の良溶
媒を揮発させて曇点以下の温度にするばあいには
良溶媒が揮発しやすい温度、圧力であるのが好ま
しく、液滴に貧溶媒または非溶媒のガスを吸収さ
せて曇点以下の温度にするばあいにはそれらの飽
和濃度の空気であるのが好ましい。

前記ポリマー溶液からの液滴は気相中に噴出後
同符号の電荷を有するように帯電せしめられる。
液滴が同符号の電荷を有するばあいには、気相中
を飛行する間に液滴同士が合体しにくくなり、均
一な粒径の粒子がえられやすくなる（J.H.
Shneider and C.D.Hendricks，Review of
Scientific Instruments，351349（1964）参照）。

液滴に同符号の電荷を付与する方法としては、
たとえば前記特開昭62−191033号公報に記載のご
とき装置のノズルの前方に平行平板状の電極を設
置し、該電極とノズルとの間に直流電圧を印加す
るなどの方法があげられる。

このように溶液の状態で気相中に噴出せしめら
れ、同符号の電荷を付与せしめられた液滴は、気
相中を飛行し、曇点以下の温度になつたのち、該
液滴に自然に濡れるほどの表面張力を有する凝固
液中に侵入せしめられる。

ポリマー溶液を噴出させる際の温度はポリマー
溶液が均一な溶液状態を維持しうる範囲であるか
ぎりとくに限定はないが、ポリマー溶液を冷却し
て曇点以下の温度にするばあいには、ポリマー溶
液の曇点より５〜20℃程度高い温度が好ましく、
ポリマー溶液から良溶媒を揮発させて曇点以下の
温度にする。

あるいは液滴に貧溶媒または非溶媒のガスを吸
収させて曇点以下の温度にするばあいには、室温
程度であるのが好ましい。

前記球形とはほぼ真球のもののみならず、短
径／長径が0.8程度の楕円状のものの回転体など
を含む概念である。

液滴が気相中を飛行する距離にはとくに限定は
なく、液滴が曇点以下の温度になるかぎりどのよ
うな距離でもよいが、通常0.3〜5m程度が採用さ
れ、0.5〜3m程度が好ましい。該距離が0.2m未満
になると球形でないものが多くなつたり、曇点以
下の温度にならないうちに凝固液に侵入する液滴
が多くなる。また5mをこえると、液滴に同一符
号の電荷を帯びさせても空気抵抗などによつて生
ずる飛行のみだれによる合体が多くなる傾向が生
じる。

液滴が凝固液に侵入する際に曇点以下の温度に
なつていることを直接測定することは非常に困難
である。

したがつて、本発明ではラツペルら（C.E.
Lappel and C.B.Shepherd，Industrial and
Engneering Chemistry，32（５）605（1940））の
式を用いて1/100秒毎に空気抵抗と液滴の速度を
求め、飛行時間を計算し、この飛行時間の間に低
下する温度をランツら（W.E.Ranz and W.R.
Marshall，Chemical Engneering Progress，48
247（1952））の式を用いて推測している。

なお、このようにして求められた温度は溶剤の
蒸発による温度降下は考慮されておらず、この分
さらに低温になるものと考えられる。

本発明に用いる液滴と自然に濡れるほどの表面
張力を有する凝固液としては、使用するポリマー
の非溶媒または貧溶媒のうちで、比較的表面張力
の低いもの、このような非溶媒または貧溶媒の水
溶液、界面活性剤の水溶液、良溶媒の水溶液など
が用いられうる。

凝固液の温度などにもとくに限定はなく、凝固
液として作用するかぎりどのような温度のものも
使用しうるが、０〜60℃程度が取扱いやすいなど
の点から好ましい。

上記のように液滴が曇点以下の温度になり、ポ
リマーがある程度分離した段階で凝固液に侵入せ
しめるため、たとえば第１図、第５図、第６図に
示すように多孔質の表面を有し、たとえば第２図
に示すような多孔質の内部を有する３次元網目状
の、たとえば第３図に示すような粒子がえられ
る。なお第４図は写真の左下〜右中央より上の約
２／３の部分が粒子内部、左下〜右中央より下の約
１／３の部分が粒子表面を示す写真である。

前記多孔質ポリマー粒子の表面に存在する孔径
にはとくに限定はないが、通常0.01〜1μm程度の
範囲のものが容易に製造されうる。また内部の３
次元網目状構造を形成する孔径にもとくに限定は
ないが、通常0.1〜10μm程度の範囲のものが容易
に製造されうる。

さらに多孔質ポリマー粒子の数平均粒径などに
もとくに限定はないが、通常10〜100μm程度の範
囲のものが容易に製造されうる。また粒径分布と
しては、95％以上の粒子が数平均粒径の±10％以
内にあるのものが、通常、製造されうる。

このようにして製造された本発明の方法による
多孔質均一ポリマー粒子の空孔率は50〜95％程度
のものであり、均一で粒径分布のせまいポリマー
粒子であるため、クロマトグラフ用充填材、酵素
固定用担体、アフイニテイクロマトグラフイー用
担体、イオン交換樹脂用母材などの用途に使用す
ることができ、これらの用途に使用したばあいに
は圧力損失、選択性、分画のシヤープさ、吸脱着
速度の速さなどの点で優れたものとなる。

つぎに本発明の製法を実施例に基づき説明す
る。

実施例 １ ジメチルスルホキシド／プロピレングリコール
が重量比で21／79の混合液に、二酢酸セルロース
を濃度が５％となるように溶解させた。えられた
溶液の曇点は72℃であつた。

ノズルの前方５mmのところに２cmの間隔をおい
て、巾５cm、液滴の飛行方向の長さ５cmの大きさ
の平行平板状の電極を設置し、該電極とノズルと
の間に500Vの直流電圧を印加した。このノズル
に設けた直径50μmの円形のオリフイスから、91
℃に保持した前記溶液を25m／secの線速で25.5k
Hzの振動を加えながら吐出させ、該溶液の均一な
液滴を形成させ、20℃の気相中を約0.4m飛行さ
せたのち、20℃の中性界面活性剤（ポリオキシエ
チレンソルビタンモノラウレート）を0.5％含む
水溶液中へ侵入させて凝固させ、二酢酸セルロー
スの粒子をえた。凝固液に侵入する前の液滴の温
度を前記の方法で推測すると38℃で、曇点より34
℃低かつた。

えられた二酢酸セルロース粒子の数平均粒径を
下記方法により測定したところ、155μmで、粒子
がすべて数平均粒径±５％以内にあつた。

得られた二酢酸セルロース粒子をメタノールで
よく洗つてから室温で真空乾燥させ、金を蒸着さ
せたのち走査型電子顕微鏡でその表面および断面
を観察したところ、表面には孔径約0.2μmの孔が
多数存在し、断面にも同程度の孔径の孔が多数存
在し、多孔質３次元網目状組成になつていた。

なお、第１図は粒子表面を、15000倍で観察し
た電子顕微鏡写真であり、第２図は粒子断面ヲ
15000倍で観察した電子顕微鏡写真である。

（数平均粒径および粒径分布） 数百個（約500〜1000個）の粒子の光学顕微鏡
像を画像処理装置（(株)ニレコ製のルーゼツクス
）を使用して処理して求める。

実施例 ２ ジメチルスルホキシド／プロピレングリコール
が重量比で4/6の混合液に、二酢酸セルロースを
濃度が６％となるように溶解させた。えられた溶
液の曇点は30℃であつた。

ノズルの前方５mmのところに２cmの間隔をおい
て、巾５cm、液滴の飛行方向の長さ５cmの大きさ
の平行平板状の電極を設置し、該電極とノズルと
の間に500Vの直流電圧を印加した。このノズル
に設けた直径40μmの円形のオリフイスから、68
℃に保持した前記溶液を17m／secの線速で25.5K
Hzの振動を加えながら吐出させ、該溶液の均一な
液滴を形成させ、20℃の気相中を約1.7m飛行さ
せたのち、20℃の中性界面活性剤（ポリオキシエ
チレンソルビタンモノラウレート）を0.5％含む
水溶液中へ侵入させて凝固させ、二酢酸セルロー
スの粒子をえた。凝固液に侵入する前の液滴の温
度を前記の方法により推測すると気相の温度に等
しく曇点より10℃低かつた。

えられた二酢酸セルロース粒子の数平均粒径を
下記方法により測定したところ115μmで、粒子が
すべて数平均粒径±５％以内にあつた。

えられた二酢酸セルロース粒子をメタノールで
よく洗つてから室温で真空乾燥させ、金を蒸着さ
せたのち走査型電子顕微鏡でその表面および断面
を観察したところ、表面には孔径約0.2μmの孔が
多数存在し、断面にも同程度の孔径の孔が多数存
在し、多孔質３次元網目状組成になつていた。

なお、第３図はポリマー粒子を500倍に拡大し
た電子顕微鏡写真、第４図は粒子の表面（写真の
左下〜右中央より下の部分）および断面（写真の
左下〜右中央より上の部分）を2000倍で観察した
電子顕微鏡写真であり、また第５図および第６図
は粒子表面をそれぞれ4000倍および20000倍で観
察した電子顕微鏡写真である。

比較例 １ 実施例１で用いた溶媒をジメチルスルホキシ
ド／プロピレングリコールが重量比で32／68の混
合溶媒にかえた他は実施例１と同様にして曇点42
℃の溶液を調製し、溶液温度100℃、オリフイス
の口径120μm、吐出線速4m／sec、振動数400Hz、
気相距離75cmとした他は実施例１と同様にして二
酢酸セルロース粒子を製造した。凝固液に侵入す
る前の液滴の温度は約70℃で曇点よりも28℃高か
つた。

えられた二酢酸セルロース粒子の数平均粒径を
実施例１と同様にして測定したところ、490μm
で、粒子がすべて数平均粒径±５％以内にあつ
た。

えられた二酢酸セルロース粒子を実施例１と同
様に処理して、走査型電子顕微鏡で表面を含む断
面および断面を観察したところ、表面にはスキン
層が存在し、走査型電子顕微鏡で観察可能な
0.01μm以上の孔径の孔は観察されなかつが、粒
子内部には孔径約0.2μmの孔が多数存在し、多孔
質３次元網目状組織になつていた。

なお、第７図は粒子表面を含む断面を15000倍
で観察した電子顕微鏡写真であり、第８図は粒子
断面を15000倍で観察した電子顕微鏡写真である。

［発明の効果］ 本発明の方法によりポリマー粒子を製造する
と、表面から内部まで多孔質で粒径分布がきわめ
て小さく均一なポリマー粒子が製造される。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれも本発明の方法で
ある実施例１の方法で製造したそれぞれポリマー
粒子の表面構造および内部構造を説明するための
電子顕微鏡写真であり、それぞれ粒子表面および
粒子断面を15000倍に拡大した写真、第３図は本
発明の方法である実施例２の方法で製造したポリ
マー粒子の形状を説明するための電子顕微鏡写真
であり、ポリマー粒子を500倍に拡大した写真、
第４図は実施例２でえらえたポリマー粒子の表面
構造（写真の左下〜右中央より下の部分）および
断面構造（写真の左下〜右中央より上の部分）を
説明するための電子顕微鏡写真であり、粒子の表
面および断面を2000倍に拡大した写真、第５図お
よび第６図は実施例２でえられたポリマー粒子の
表面をそれぞれ4000倍および20000倍に拡大した
電子顕微鏡写真、第７図および第８図はそれぞれ
比較例１でえられたポリマー粒子の表面を含む断
面構造および断面構造を説明するための電子顕微
鏡写真であり、それぞれの部分を15000倍に拡大
した写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 曇点を有しうるポリマー溶液を、一定の流速
   で一定の周期的な乱れを加えながら均一な大きさ
   の液滴として溶液状態で開口部から気相中に噴出
   させ、同符号の電荷を帯電させたのち、該液滴を
   曇点以下の温度にしてから、該液滴に自然に濡れ
   るほどの表面張力を有する該液滴の凝固液中に侵
   入させ、凝固させることを特徴とする多孔質均一
   ポリマー粒子の製法。