JP6357488B2 - (メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、高い透明性を有する成形品を高い生産効率で得ることが可能な、熱安定性および成形性に優れた(メタ)アクリル樹脂組成物を製造する方法を提供することである。
〔1〕 メタクリル酸メチル(1)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)のそれぞれの量を制御してそれらを槽型反応器に連続的に供給する工程、
槽型反応器内で重合転化率40〜70質量%で塊状重合して反応生成物を得る工程、
反応生成物から、メタクリル酸メチル(1’)、および連鎖移動剤(3’)を含む混合物(A)を回収する工程、および
該混合物(A)を前記槽型反応器に連続的に供給する工程を有し、
槽型反応器へのメタクリル酸メチル(1)、および連鎖移動剤(3)の各供給量制御が、槽型反応器に供給する混合物(A)の量、並びに混合物(A)中のメタクリル酸メチル(1’)、および連鎖移動剤(3’)のそれぞれの割合を含む情報に基づいて、行われ、且つ
槽型反応器の完全混合時間(θM[hr])、槽型反応器内の温度におけるラジカル重合開始剤の半減期(τ1/2[hr])、槽型反応器の攪拌動力(PV[kW/m3])、槽型反応器における反応原料の平均滞留時間(θ[hr])および反応原料中のラジカル重合開始剤濃度(I[ppm])が
θM>τ1/2 、および PV×θ×I×τ1/2<4
を満足する、(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
槽型反応器への連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)の各供給量制御において往復ポンプを使用する、
〔1〕に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
反応生成物から回収される混合物(A)は、アクリル酸エステル(2’)をさらに含み、
アクリル酸アルキルエステル(2)の供給量制御が、槽型反応器に供給する混合物(A)の量、並びに混合物(A)中のアクリル酸エステル(2’)の割合を含む情報に基づいて行われる、〔1〕に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
槽型反応器へのアクリル酸アルキルエステル(2)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)の各供給量制御において往復ポンプを使用する、
〔3〕に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
槽型反応器内の温度におけるラジカル重合開始剤(4)の半減期が0.5〜120秒である、〔1〕〜〔4〕のいずれかひとつに記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
単量体(5)の供給量は、質量式流量計で測定することが好ましい。単量体(5)の供給量の調整は、ポンプまたは弁にて行うことができる。単量体(5)の供給用ポンプとして、容積ポンプを採用することが好ましい。
連鎖移動剤(3)の供給量は、質量式流量計で測定することが好ましい。連鎖移動剤(3)の供給量の調整は、ポンプまたは弁にて行うことができる。連鎖移動剤(3)の供給用ポンプとして、容積ポンプを採用することが好ましい。
本発明で用いられるラジカル重合開始剤としては、例えば、t−ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t−ヘキシルパーオキシ2−エチルヘキサノエート、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシ2−エチルヘキサノエート 、t−ブチルパーオキシピバレート、t−ヘキシルパーオキシピバレート、t−ブチルパーオキシネオデカノエ−ト、t−ヘキシルパーオキシネオデカノエ−ト、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシネオデカノエート、1,1−ビス(t−ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン、ベンゾイルパーオキシド 、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、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)が好ましく; t−ヘキシルパーオキシ2−エチルヘキサノエート、1,1−ビス(t−ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)などが挙げられる。これらラジカル重合開始剤は1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
槽型反応器に供給する混合物(A)中のメタクリル酸メチル(1’)、アクリル酸アルキルエステル(2’)、および連鎖移動剤(3’)の含有割合は、分析機器などにて測定することができる。分析機器などによる測定は、連続的に行ってもよいし、離散的に、例えば、1日3回8時間毎に行ってもよい。分析機器としてはガスクロマトグラフィが好ましく用いられる。
以上のようにして測定された連続データまたは離散データを所定の制御アルゴリズムに従って計算し、その計算結果に基づいて弁の開度やポンプの吐出量などを制御することができる。
メタクリル酸メチルの槽型反応器への総供給量をMTmma[kg/hr]としたい場合、混合物(A)中のメタクリル酸メチル(1’)の割合がXmma[質量%]、混合物(A)の供給量がMc[kg/hr]、ラジカル重合開始剤(4)のメタクリル酸メチル溶液の槽型反応器への供給量がMvinit[kg/hr]、およびラジカル重合開始剤(4)のメタクリル酸メチル溶液中のメタクリル酸メチル(1”)の割合がXImma[質量%]であるとき、メタクリル酸メチル(1)の供給量Mvmma[kg/hr]は、計算式: MTmma−0.01XImma×Mvinit−0.01Xmma×Mcで決定される。そして、その決定された供給量Mvmma[kg/hr]に成るように流量計と弁やポンプとの組み合わせでフィードバック制御などがなされる。
また、槽型反応器における反応原料の平均滞留時間(θ)は、好ましくは0.5〜6時間、より好ましくは1〜5時間、さらに好ましくは2〜4時間である。平均滞留時間が短すぎると重合開始剤の必要量が増える。また重合開始剤の増量により重合反応の制御が難しくなるとともに、分子量の制御が困難になる傾向がある。一方、平均滞留時間が長すぎると反応が定常状態になるまでに時間を要し、生産性が低下する傾向がある。平均滞留時間は槽型反応器の容量と反応原料の供給量によって調整することができる。
この関係式の意味を以下の例によって説明する。
例1:θが一定で、開始剤種が同じで、攪拌回転数を高めてPv値を高めて運転する場合には、上記関係式の範囲内で開始剤濃度を低くすることができる。
例2:θが一定で、開始剤濃度が一定で、攪拌回転数を低くした場合には上記関係式の範囲内でτ1/2の長いラジカル重合開始剤を使用できる。
上記関係式の範囲外で運転する場合、以下に示す不具合が生じ易くなる。
例3:Pvが高い場合はランニングコストが高くなる、
例4:θが高い場合は装置が大型となり初期コストが高くなる。
例5:Iが高い場合は得られた(メタ)アクリル樹脂組成物の熱安定性が劣る。
例6:τ1/2が高い場合は緊急時に槽型反応器への反応原料を停止しても槽型反応器内で重合が進行してしまうため反応制御が困難となる。
反応生成物中の(メタ)アクリル樹脂の含有率は、好ましくは40〜70質量%、より好ましくは35〜65質量%である。(メタ)アクリル樹脂の含有率が高すぎると粘度上昇のために大きな攪拌動力が必要となる傾向がある。(メタ)アクリル樹脂の含有率が低すぎると、反応生成物中の混合物(A)を除去する工程における混合物(A)等の除去が不十分となり、得られる(メタ)アクリル樹脂組成物を成形した場合に、成形品にシルバーなどの外観不良を起こす傾向がある。
なお、重量平均分子量および数平均分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)で測定した標準ポリスチレン換算の分子量である。なお、また、(メタ)アクリル樹脂の重量平均分子量や分子量分布は、重合開始剤および連鎖移動剤の種類や量などを調整することによって制御できる。
混合物(A)の回収は、公知の化学工学的手段によって行うことができる。例えば、加熱脱揮による方法が好ましいものとして挙げられる。加熱脱揮法としては、平衡フラッシュ蒸発法や断熱フラッシュ蒸発法が挙げられるが、断熱フラッシュ蒸発法が好ましい。断熱フラッシュ蒸発法を実施する温度は、好ましくは200〜300℃、より好ましくは220〜270℃である。断熱フラッシュ蒸発法を実施する温度が、200℃未満では、脱揮に時間を要し、脱揮不十分になり、成形品にシルバーなどの外観不良を起こすことがある。一方、断熱フラッシュ蒸発法を実施する温度が、300℃を超えると、酸化、焼けなどによって(メタ)アクリル樹脂組成物が着色する傾向がある。断熱フラッシュ蒸発法を多段で行ってもよい。
フラッシュ蒸発させられた混合物(A)の蒸気で伝熱管を流れる反応生成物を加熱し、加熱された反応生成物を低圧のフラッシュタンク内に供給してフラッシュ蒸発させることができる。また、反応生成物はポンプなどによって加圧することができる。
二量体または三量体の除去は、公知の化学工学的手段によって行うことができる。例えば、蒸留による方法が好ましいものとして挙げられる。本発明において用いられる蒸留塔は、特に制限されないが、段数が6〜20段程度、還流比が0.4〜2.0程度の多段式蒸留塔であることが好ましい。
添加剤としては、酸化防止剤、熱劣化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、滑剤、離型剤、高分子加工助剤、帯電防止剤、難燃剤、染顔料、光拡散剤、有機色素、艶消し剤、耐衝撃性改質剤、蛍光体などが挙げられる。
リン系酸化防止剤とヒンダードフェノール系酸化防止剤とを併用する場合、その割合は特に制限されないが、リン系酸化防止剤/ヒンダードフェノール系酸化防止剤の質量比で、好ましくは1/5〜2/1、より好ましくは1/2〜1/1である。
該熱劣化防止剤としては、2−t−ブチル−6−(3’−t−ブチル−5’−メチル−ヒドロキシベンジル)−4−メチルフェニルアクリレート(住友化学社製;商品名スミライザーGM)、2,4−ジ−t−アミル−6−(3’,5’−ジ−t−アミル−2’−ヒドロキシ−α−メチルベンジル)フェニルアクリレート(住友化学社製;商品名スミライザーGS)などが好ましい。
紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン類、ベンゾトリアゾール類、トリアジン類、ベンゾエート類、サリシレート類、シアノアクリレート類、蓚酸アニリド類、マロン酸エステル類、ホルムアミジン類などが挙げられる。これらは1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、ベンゾトリアゾール類、または波長380〜450nmにおけるモル吸光係数の最大値εmaxが1200dm3・mol-1cm-1以下である紫外線吸収剤が好ましい。
mol-1cm-1以下である紫外線吸収剤は、得られる成形品の黄色味を抑制できる。
ロヘキサン1Lに紫外線吸収剤10.00mgを添加し、目視による観察で未溶解物がないように溶解させる。この溶液を1cm×1cm×3cmの石英ガラスセルに注入し、日立製作所社製U−3410型分光光度計を用いて、波長380〜450nmでの吸光度を測定する。紫外線吸収剤の分子量(Mw)と、測定された吸光度の最大値(Amax)とから次式により計算し、モル吸光係数の最大値εmaxを算出する。
εmax=[Amax/(10×10-3)]×Mw
これら紫外線吸収剤の中、紫外線被照による樹脂劣化が抑えられるという観点からベンゾトリアゾール類が好ましく用いられる。
該重合体粒子は、単一組成比および単一極限粘度の重合体からなる単層粒子であってもよいし、また組成比または極限粘度の異なる2種以上の重合体からなる多層粒子であってもよい。この中でも、内層に低い極限粘度を有する重合体層を有し、外層に5dl/g以上の高い極限粘度を有する重合体層を有する2層構造の粒子が好ましいものとして挙げられる。
極限粘度が小さすぎると成形性の改善効果が低い。極限粘度が大きすぎると(メタ)アクリル樹脂組成物の溶融流動性の低下を招きやすい。
光拡散剤や艶消し剤としては、ガラス微粒子、ポリシロキサン架橋微粒子、架橋ポリマー微粒子、タルク、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。
蛍光体として、蛍光顔料、蛍光染料、蛍光白色染料、蛍光増白剤、蛍光漂白剤などが挙げられる。
(粘度測定)
サンプリングした液を小型の圧力容器(オートクレーブ)に仕込み、所定温度(140℃)まで昇温し、攪拌した時の攪拌トルクを測定し、粘度が既知のシリコンオイルを用いて事前に作成しておいた検量線により算出した。
ガスクロマトグラフ((株)島津製作所製、GC−14A)に、カラム(GLC−G−230 Sciences Inc.製、INERT CAP 1(df=0.4μm、I.D.0.25mm、長さ60m))を繋ぎ、injection温度180℃、detector温度180℃、カラム温度を昇温速度10℃/分で60℃から200℃に昇温する条件にて分析した。
ガスクロマトグラフ((株)島津製作所製、GC−14A)に、カラム(GLC−G−230 Sciences Inc.製 INERT CAP 1(df=1.0μm、I.D.1.2mm、長さ40m))を繋ぎ、injection温度270℃、detector温度270℃、カラム温度を昇温速度10℃/分で70℃から270℃に昇温する条件にて分析した。
ガスクロマトグラフ((株)島津製作所製、C−R8A)に、カラム(島津製作所製 ステンレスカラム(5.0m×3.0mm)、充填剤(Shimalite 60/80 NAW)を繋ぎ、injection温度150℃、detector温度170℃、カラム温度を90℃で分析した。
測定する混合物(A)の採取箇所は、混合物(A)がキャンドポンプで輸送され、質量流量計を通過し、反応原料と合流する直前の箇所で行った。
熱天秤(島津TGA-50型)を用いて、窒素雰囲気下、昇温速度20℃/分で300℃にし60分間保持したときの、加熱減量を測定した。
射出成形機((株)名機製作所製、M−100−DM)を使用し、ペレット状の(メタ)アクリル樹脂組成物をシリンダ温度300℃、金型温度50℃、成形サイクル15分で射出成形して、長さ200mm、幅60mm、厚さ0.6mmの平板を製造し、得られた平板を肉眼で観察し、気泡(シルバ−)発生の有無を調べ、以下の基準で評価した。
○;シルバー無
×;シルバー有
C;全面発泡
射出成形機((株)名機製作所製、M−100−DM)を使用し、ペレット状の(メタ)アクリル樹脂組成物をシリンダ温度260℃、金型温度65℃、成形サイクル2分で射出成形して、長さ200mm、幅60mm、厚さ6mmの平板を製造した。得られた平板の長手方向(200mm)の透過率を島津製作所製PC-2200分光光度計にて測定した。波長450nmの透過率を測定し以下の基準で評価した。
○;透過率が83%以上
×;透過率が83%未満
メタクリル酸メチル(MMA)及び混合液(A)の送液にはキャンドポンプを使用し、それらの下流側にそれぞれ流量調節弁を設置した。アクリル酸メチル、n−オクチルメルカプタン(連鎖移動剤)、及び2,2’−アゾビス2−メチルプロピオニトリル(重合開始剤)のMMA溶解液の送液には往復ポンプを使用した。また、各ポンプの吐出側には、質量式流量計を設置した。メタクリル酸メチル、混合液(A)、アクリル酸メチル及びn−オクチルメルカプタンの各原料は、槽型反応器の手前で合流させ、合流後のラインに溶存酸素除去のための窒素混合器を設けた。該窒素混合器を通過後のラインに、槽型反応器の手前で、2,2’−アゾビス2−メチルプロピオニトリルのMMA溶液を合流させる設計とした。流量計で測定された流量データは自動制御装置に送り、設定された流量になるように自動制御装置が指令信号を弁やポンプに送り、弁の開度やポンプの吐出圧を調節した。
ブライン冷却凝縮器を備えた連続流通式槽型反応器(容量0.1m3、槽径500mm、マックスブレンド翼、翼径260mm、回転数200rpm)に、メタクリル酸メチル73.6kg、アクリル酸メチル6.4kgを仕込み、n−オクチルメルカプタン360gを仕込み、窒素置換後、140℃に昇温した。
運転開始から3日経過した時に得られた(メタ)アクリル樹脂組成物の、加熱減量と、ダイマーおよびトリマーの含有量を測定した。測定結果を表1に示す。
また、運転開始から3日経過した時に得られた(メタ)アクリル樹脂組成物と運転開始から6日経過した時に得られた(メタ)アクリル樹脂組成物とを質量比1:1でドライブレンドし、そのブレンド物を射出成形して成形品を得た。該成形品の評価結果を表1に示す。
DCSによる制御を行わず、メタクリル酸メチル(1)、アクリル酸メチル(2)、連鎖移動剤(3)の供給量を重合開始から終了まで一定に維持した以外は実施例1と同じ方法にて(メタ)アクリル樹脂組成物の製造を行った。実施例1と同じ方法で、(メタ)アクリル樹脂組成物の、加熱減量と、ダイマーおよびトリマーの含有量を測定し、さらに成形品の評価を行った。結果を表1に示す。
AIBN0.0065質量部をジ−t−ブチルパーオキサイド(PB−D)0.0020質量部に変え、槽型反応器の平均滞留時間を4時間に変更した以外は実施例1と同じ方法にて(メタ)アクリル樹脂組成物の製造を行った。
運転開始から3日経過時の反応生成液は、粘度が3.50Pa・s、密度が1000kg/m3、(メタ)アクリル樹脂の含有量(重合転化率)が60質量%であった。また、完全混合時間は60秒、撹拌動力は2.2kW/m3、レイノルズ数は64、動力数は5、無次元混合数は200であった。PV×θ×I×τ1/2は190.7であった。実施例1と同じ方法で、(メタ)アクリル樹脂組成物の、加熱減量と、ダイマーおよびトリマーの含有量を測定し、さらに成形品の評価を行った。結果を表1に示す。
これに対して、バージン原料を重合開始から終了まで一定量にて槽型反応器に連続的に供給して塊状重合すると、光線透過率が低い(メタ)アクリル樹脂組成物が得られる。また、θM>τ1/2、およびPV×θ×I×τ1/2<4を満足しない条件にて塊状重合すると、ダイマーおよびトリマーが多く、加熱減量が多い、すなわち熱安定性が劣る(メタ)アクリル樹脂組成物が得られる。
Claims (6)
- メタクリル酸メチル(1)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)のそれぞれの量を制御してそれらを槽型反応器に連続的に供給する工程、
槽型反応器内で重合転化率40〜70質量%で塊状重合して反応生成物を得る工程、
反応生成物から、メタクリル酸メチル(1’)、および連鎖移動剤(3’)を含む混合物(A)を回収する工程、および
該混合物(A)を前記槽型反応器に連続的に供給する工程を有し、
槽型反応器へのメタクリル酸メチル(1)、および連鎖移動剤(3)の各供給量制御が、槽型反応器に供給する混合物(A)の量、並びに混合物(A)中のメタクリル酸メチル(1’)、および連鎖移動剤(3’)のそれぞれの割合を含む情報に基づいて、行われ、且つ
槽型反応器の完全混合時間(θM[hr])、槽型反応器内の温度におけるラジカル重合開始剤の半減期(τ1/2[hr])、槽型反応器の攪拌動力(PV[kW/m3])、槽型反応器における反応原料の平均滞留時間(θ[hr])および反応原料中のラジカル重合開始剤濃度(I[ppm])が
θM>τ1/2 、および PV×θ×I×τ1/2<4
を満足する、(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。 - 槽型反応器に供給する、混合物(A)、メタクリル酸メチル(1)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)のそれぞれの量を質量式流量計で測定し、
槽型反応器への連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)の各供給量制御において往復ポンプを使用する、
請求項1に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。 - アクリル酸アルキルエステル(2)の量を制御してそれを槽型反応器に連続的に供給する工程をさらに有し、
反応生成物から回収される混合物(A)は、アクリル酸エステル(2’)をさらに含み、
アクリル酸アルキルエステル(2)の供給量制御が、槽型反応器に供給する混合物(A)の量、並びに混合物(A)中のアクリル酸エステル(2’)の割合を含む情報に基づいて行われる、請求項1に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。 - 槽型反応器に供給する混合物(A)、メタクリル酸メチル(1)、アクリル酸アルキルエステル(2)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)のそれぞれの量を質量式流量計で測定し、
槽型反応器へのアクリル酸アルキルエステル(2)、連鎖移動剤(3)、およびラジカル重合開始剤(4)の各供給量制御において往復ポンプを使用する、
請求項3に記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。 - 槽型反応器内の温度が110〜160℃であり、
槽型反応器内の温度におけるラジカル重合開始剤(4)の半減期が0.5〜120秒である、
請求項1〜4のいずれかひとつに記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。 - メタクリル酸メチルの槽型反応器への総供給量がMTmma[kg/hr]、混合物(A)中のメタクリル酸メチル(1’)の割合がXmma[質量%]、混合物(A)の供給量がMc[kg/hr]、ラジカル重合開始剤(4)のメタクリル酸メチル溶液の槽型反応器への供給量がMvinit[kg/hr]、およびラジカル重合開始剤(4)のメタクリル酸メチル溶液中のメタクリル酸メチル(1”)の割合がXImma[質量%]であるとき、槽型反応器へのメタクリル酸メチル(1)の供給量Mvmma[kg/hr]は、計算式: MTmma−0.01XImma×Mvinit−0.01Xmma×Mcで決定され、
連鎖移動剤の槽型反応器への総供給量がM Ttran [kg/hr]、混合物(A)中の連鎖移動剤(3’)の割合がX tran [質量%]、および混合物(A)の供給量がM c [kg/hr]であるとき、槽型反応器への連鎖移動剤(3)の供給量M vtran [kg/hr]は、計算式: M Ttran −0.01X tran ×M c で決定される、請求項1〜5のいずれかひとつに記載の(メタ)アクリル樹脂組成物の製造方法。
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