JP4666438B2

JP4666438B2 - ポリマー合成方法

Info

Publication number: JP4666438B2
Application number: JP2001121230A
Authority: JP
Inventors: 孝司豊岡; 誠小豆澤; 香織新家; 利昭奥野
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP2002317002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ポリマー合成方法に係り、特に、重合温度を操作することにより重合反応に伴い発生する発熱量を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ポリマー合成方法として、所定のポリマーを合成する際に、ポリマーを合成する槽内の重合温度を予め一定に保つようにしている。つまり、槽内のモノマーに温度分布のバラツキが生じると、ポリマーの分子量の分布にバラツキが生じ、目標とする分子量分布をもったポリマーを合成することができないからである。
【０００３】
そこで上述の方法を実施するために、重合反応開始前は、予め定められた重合開始温度にするために、槽内に投入されたモノマーに熱を加える。このとき、槽の外周に付設した温度調節用手段であるジャケットに温度調節用流体として温水を循環させる。逆に重合反応が開始したときは、この重合反応に伴い発生した熱量を除去するためにジャケットに冷却水を循環して槽内の重合温度を一定に保っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のポリマー合成方法の場合には、次のような問題がある。
【０００５】
従来のポリマー合成方法は、モノマーを重合反応させて重合温度を一定に保つように、ジャケットに循環させる温度調節用流体の温度をコントロールしている。しかしながら、重合温度を一定に維持すると、ポリマー合成反応時に発生する発熱量のピークポイントに到達するまでに相当の時間がかかっている。その結果、発熱量がピークポイントに達した時点では、合成反応が進んで粘度が高くなった混合物（モノマーとポリマーの混合物）から、発生した熱量を除去しなければならない。つまり、混合物の粘度が高くなると重合反応に伴って発生した発熱量が混合物内に蓄積されやすくなるので、この蓄積される熱量を除去するためには、ジャケットのサイズを大きくするなどして冷却効率の高い装置を設けなければならないといった問題がある。
【０００６】
すなわち、ポリマー製造業者にとっては、複雑で大型な設備を配備しなければならず設備費用などの面での不都合が生じている。
【０００７】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷却設備を大型化することなく、重合反応に伴い発生した発熱量を効果的に制御することができるポリマー合成方法を提供することを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
先ず、本発明の原理について説明する。
ポリマーを合成するに際、攪拌槽に投入されたモノマーがポリマーへと合成される過程の伝熱量Ｑについては容易に知ることができる。つまり、伝熱量Ｑは、物質固有の熱の伝達および放熱能力である総括伝熱係数Ｕと、攪拌槽に投入されたモノマーが攪拌槽の内壁に接触している伝熱面積Ａ、および攪拌槽の外側と槽内との温度差Δｔの積によって求まるものであって、次式（１）で表すことができる。
Ｑ（Ｗ）＝Ｕ（Ｗ／ｍ²・Ｋ）×Ａ（ｍ²）×Δｔ（Ｋ） … （１）
【０００９】
この（１）式に基づいて、攪拌槽に投入されたモノマーが重合反応に伴って発生する発熱量を十分に冷却除去するためには、攪拌槽の外周側と内壁との温度差Δｔ、または伝熱面積Ａの少なくともいずれか一方の値を大きくすることが常識とされている。つまり、攪拌槽内は重合反応に伴って発生する発熱量によって高温になるので、冷却効率の高いジャケットを攪拌槽に付設したり、ジャケットおよび攪拌槽のサイズを大きくして互いの接触面積を拡張して冷却効率を向上させたりしている。しかし、このような構成にすると装置構成が大きくなり複雑化する。
【００１０】
そこで、本発明者は、ジャケットなどの装置構成を変更せず、つまり温度差Δｔと伝熱面積Ａの値はそのままにして、（１）式の総括伝熱係数Ｕについて着目した。そして、モノマーからポリマーへと合成される過程の総括伝熱係数Ｕの変化は、図６に示すように、攪拌槽投入時のモノマー（液状態）のときに値が大きく、重合反応の経過とともに値が小さくなることが確認できた。つまり、総括伝熱係数Ｕの値は、粘度の低いときに大きく、粘度の高いときに小さくなる。
【００１１】
すなわち、攪拌槽に投入したモノマーがポリマーへ合成される過程の粘度の低い時点で重合反応に伴う発熱量をピークポイントに到達させることによって、発熱量の冷却効率を上げることができる。
【００１２】
以上のような知見に基づいて創作されたこの発明は、以下のような構成をとる。
【００１３】
すなわち、請求項１に記載の発明は、槽内に投入されたモノマーを反応させてポリマーを合成する方法において、時系列の目標値としてポリマー合成反応時の重合温度パターンまたはこれと等価な反応要素パターンである重合率の推移を示す重合率の傾きを予め設定する際に、重合温度パターンは、前記ポリマー製造時の重合反応に伴う発熱量がピークとなる時点以前の初期段階の重合温度の目標値を当該ピーク以降の重合温度の目標値よりも高く設定し、検出量としてポリマー合成反応時の発熱量またはこれと等価な物理量である槽内外の温度を時系列に検出し、これら目標値と検出量との偏差に応じて重合温度を操作することを特徴とするものである。
【００１６】
【作用】
請求項１に記載の発明の作用は次のとおりである。
すなわち、時系列の目標値としてポリマー合成反応時の発熱量パターンまたはこれと等価な反応要素パターンを予め設定し、この設定パターンと、実測による発熱量またはこれと等価な物理量とから求めた偏差に応じて重合温度が操作される。つまり、重合温度を操作することによって、発熱量のピークポイント到達時点の調節が行われる。
【００１７】
ここで、検出量として重合温度またはこれと等価な槽内外の温度が検出され、この検出された温度と時系列の目標値として設定された重合温度パターンとが比較され、この比較により求められた温度偏差に基づいて重合温度の操作が行われる。
【００１８】
なお、重合温度パターンの初期値が後の重合温度よりも高く設定される。つまり、重合温度パターンの初期値を高く設定することによって、重合反応が初期の段階で促進される。つまり、混合物の粘度の低い時点で重合反応に伴う発熱量のピークポイントに到達させられる。さらに、混合物の粘度が低い時点では、放熱性の高い状態で発熱量の冷却除去が行われる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
なお、この実施例のポリマー合成方法では、ポリマーを合成するときの時系列の目標値としての発熱量パターンに重合温度パターンを設定し、検出量として攪拌槽の内外温度を検出する場合を例にとって説明する。
図１〜図３は本実施例のポリマー合成方法と従来の方法との比較を示すものであって、図１は設定重合温度の推移を示す図、図２は重合率の推移を示す図、図３は発熱量の推移を示す図である。
【００２０】
本実施例では、攪拌槽に投入されたモノマーがポリマーに合成される過程で、上述の（１）式から総括伝熱係数Ｕの値が大きく、伝熱性および放熱性の高い時点（混合物の粘度の低い時点）で重合反応に伴って発生する発熱量のピークポイントに到達させるようにするものである。
【００２１】
先ず、ポリマー合成の開始前に時系列の目標値としての重合温度パターンを予め設定する。
ここで、本実施例の特徴として、重合反応開始の初期段階と、それ以降の段階の２段階に分けて、重合温度の設定条件を変更する。つまり、図１の実線Ａ１に示すように、初期段階Ｔ０〜Ｔ１の時間範囲では、所定のポリマーに対応する重合温度に対して＋（プラス）５℃以内の範囲で高めの温度設定を行う。また、初期段階Ｔ１以降については、実線Ａ２に示すように、所定のポリマーに応じた重合温度の状態に戻すようにする。なお、一点鎖線Ｂおよび実線Ａ２は、従来の方法により設定する所定の重合温度の推移を示すものである。また、所定の重合温度は、合成するポリマーごとに予め決められたものであって、通常、重合開始から終了まで一定温度に設定されている。
【００２２】
つまり、重合反応の初期段階の温度を所定の重合温度より高く設定して重合反応を促進させ、この反応に伴う発熱量のピークポイントをＴ１時点に到達させるようにする。そして、発熱量のピークポイントＴ１を境にして発熱量が低下してゆくので、Ｔ１以降は所定のポリマーの重合温度まで下げ、その重合温度を維持するようにする。なお、Ｔ１の時間設定は、ポリマーに応じて予め実験により求められる。
【００２３】
なお、上述の実施例の方法に基づいて、重合率が約６７〜６８％であるポリマーを合成する実験を本発明者は行った。重合温度パターンとして、初期段階Ｔ０〜Ｔ１の時間を２０分に設定し、予め決められた所定の重合温度に対して＋２℃に設定した。そこで、本実施例の方法と従来の方法により得られる結果とを比較するために、図２および図３において、実線Ａを本実施例、一点鎖線Ｂを従来の方法により得られた結果として示す。
【００２４】
先ず、実験において得られた重合率の推移は、図２に示すように、Ｔ１の時点で従来の方法Ｂでは２０％代であるのに対し、この実施例の方法Ａでは約６０％と高水準まで到達している。
【００２５】
発熱量のピークの推移は、図３に示すように、実施例の方法Ａでは設定目標値どおりにＴ１の時点でピークに到達しているのに対し、従来の方法ＢではＴ２の時点（重合反応開始後、約５０分）で到達している。また。図３から明らかなように、実施例の方法Ａでは発熱量のピークを重合反応開始の早い時点Ｔ１で到達させると、発熱量も従来に比べて抑えられることが確認された。
【００２６】
以上のように発熱量パターンとして重合温度パターンを設定し、この重合温度パターンの初期段階で所定のポリマーの重合温度よりも高く設定することによって重合反応を促進させるとともに、攪拌槽内に投入された混合物の粘度の低い状態の時点（総括伝熱係数Ｕの高い時点）で発熱量のピークに到達させることができる。つまり、総括伝熱係数Ｕが高く伝熱性および放熱性が高い状態であるので、発熱量の冷却除去を効率よく行ことができる結果、発熱量のピークをも抑えることができる。
【００２７】
すなわち、従来からの常識とは一転して重合温度を操作して一定時間、所定の重合温度よりも高く設定することによって、既存の装置構成を変更することなく、冷却効率の高い状態でポリマーを合成することができる。
【００２８】
なお、上述のように重合温度を操作しても分子量の分布には影響を与えることなく、分子量の分布が均一なポリマーを合成することができることを本発明者の実験により確認されている。
【００２９】
また、上述の実施例中の実験では、初期段階の重合温度を２０分間で＋２℃上げてポリマーを合成していたが、この設定時間と設定温度に限定されるものではなく、ポリマーの分子量の分布度合いなどに応じて異なり、設定時間は１０〜３０分、設定温度は＋５℃以内の範囲でそれぞれ適宜に設定変更されることが好ましい。
【００３０】
なお、上述の実施例中、図１の重合温度の推移を示す重合温度パターンは、本発明の「等価な反応要素パターン」に相当する。また、図２の重合率の推移を示す重合率の傾きも本発明の「等価な反応要素パターン」の一つに相当する。
【００３１】
次に、図４を参照して、上述のポリマー合成方法を好適に実施可能な攪拌装置の一実施例を用いて具体的に説明する。なお、図４は攪拌装置の概略構成図である。
先ず、実施例装置の構成について説明する。
【００３２】
攪拌機１は、攪拌槽２と、攪拌槽２の中心部の上下部に貫通した回転軸４に取り付けられた攪拌翼６（図４では「格子翼」）とを備えるとともに、攪拌槽２の外周側には温度調節用流体を流通されるための温度調節用手段としてのジャケット３が付設されている。なお、回転軸４の上部には、図示しないが回転駆動手段が連接されている。
【００３３】
ジャケット３には温度調節用流体を供給・排出循環させるための配管Ｒ１が連通接続されている。この配管Ｒ１には、攪拌槽２内の温度を上げるために配管Ｒ１、およびジャケット３を流通する温度調節用流体の温度を上昇させる配管加熱部１３が設けられている。また、配管Ｒ１には、攪拌槽２を冷却するために配管Ｒ１を循環する温水を排出するためのバルブＶ２が備えられているとともに、バルブＶ２を開放して温水を排出したときに冷却水を供給するための配管Ｒ３が連通接続されている。
【００３４】
温度センサＳ１は、攪拌槽２の底部から槽内に挿入されており、攪拌槽２内の混合物の温度を逐次検出するようになっている。
【００３５】
温度センサＳ２は、ジャケット３の温度調節用流体の排出側に取り付けられており、ジャケット３を流通した温度調節用流体の温度変化を逐次検出するようになっている。
【００３６】
なお、上述の温度センサＳ１で検出される攪拌槽２内の混合物の温度と、温度センサＳ２で検出される温度調節用流体の温度は、本発明の「等価な物理量」に相当する。
【００３７】
第１および第２温度指示調節計１１、１２は、目標値となる重合温度および時間が予め設定入力されるようになっている。つまり、この実施例の重合温度の設定では、初期段階とそれ以降の２段階に分けられ、初期段階では所定のポリマーの設定重合温度よりも高く（＋５℃以下）設定入力され、それ以降は所定のポリマーの重合温度が設定入力されるようになっている。
【００３８】
また、第１温度指示調節計１１は、温度センサＳ１から逐次検出される攪拌槽２内の温度が送られてくる。そして、予め設定入力された重合温度と検出結果（温度）とが比較されて偏差が導出される。さらに、この導出された偏差からジャケット３内の水温の設定値が導出され、第２温度指示調節計１２に送られる。
【００３９】
また、第２温度指示調節計１２には、第１温度指示調節計１１で導出されたジャケット３内の水温の設定値が送られてくるとともに、ジャケット３を流通して配管Ｒ１に排出されてきた温水の温度が温度センサＳ２から逐次検出されて送られてくる。そして、これら設定値と配管Ｒ１から検出された温度が比較され、配管Ｒ１〜Ｒ３に備えられた各バルブＶ１〜Ｖ３の開閉がされるようになっている。
【００４０】
配管加熱部１３には、配管Ｒ１が貫通している。また、その内部に蒸気が供給されるようにバルブＶ１を備えた配管Ｒ２が連通接続されている。つまり、バルブＶ１を開放して配管加熱部１３の内部に蒸気を供給することによって配管Ｒ１を流通する温度調節用流体の温度が上げられるようになっている。
【００４１】
次に、上述の実施例装置を用いた一巡の動作を図５のフローチャートに基づいて説明する。
<ステップＦ１> ポリマー合成条件の設定および合成開始
ポリマー合成に際し、重合温度パターンとして、初期段階の時間と重合温度、および初期段階以降の重合温度とが第１温度指示調節計１１に予め設定入力される。設定入力後、ポリマーの合成が開始される。
【００４２】
<ステップＦ２> 攪拌槽内への熱の伝達
ポリマーの合成の開始から重合反応が開始するまで配管Ｒ１に温水が循環され、ジャケット３を介して槽内のモノマーに熱が伝達される。つまり、バルブＶ１が開放されて配管Ｒ２から蒸気が配管加熱部１３に供給され、配管Ｒ１を流通する温度調節用流体の温度が上げられる。
【００４３】
<ステップＦ３> 重合温度に到達したか
重合温度に到達すれば次のステップＦ４に進む。まだ重合温度に到達していなければステップＦ２に戻り、重合温度に到達するまでステップＦ２の操作が繰り返えし行われる。なお、重合温度に到達するまでの間、攪拌槽２内の温度と、ジャケット３を流通して配管Ｒ１に排出される温度調節用流体の温度とが各温度センサＳ１，Ｓ２によりそれぞれ逐次検出されている。
【００４４】
<ステップＦ４> 初期段階の重合温度の維持
重合温度に到達して重合反応が開始されると同時に、温度センサＳ１から逐次検出される結果が、第１温度指示調節計１１に送られる。そして、予め設定入力された重合温度と検出結果が比較され、ジャケット３内の水温の設定値が導出される。そして、その設定値は温度センサＳ２から逐次検出される結果とともに、第２温度指示調節計１２に送られて配管Ｒ１を流通する水温が調節される。つまり、重合反応が開始すると反応に伴って発生する熱を冷却除去するために、バルブＶ２が開放されて配管Ｒ１を循環する温水が排出される。同時に、バルブＶ３が開放されて配管Ｒ３から配管Ｒ１に冷却水が供給されて配管Ｒ１およびジャケット３内を冷却水が循環する。そうすることによって、所定の重合温度よりも高めに設定された初期段階の重合温度が維持される。
【００４５】
<ステップＦ５> 初期段階の設定時間を経過したか
初期段階の終了時間に到達すると次のステップＦ６に進み、終了時間に到達していなければステップＦ４の操作が繰り返し行われる。
【００４６】
<ステップＦ６> 所定の重合温度の維持
初期段階の終了時間に到達すると、その時点が重合反応に伴って発生する発熱量のピークポイントとなり、その時点を境に発熱量は減衰するので重合温度は所定の重合温度に戻され、この重合温度が維持される。
【００４７】
<ステップＦ７> 重合反応は終了したか
重合反応が終了すれば、ポリマーの合成は終了する。重合反応が終了していなければ、重合反応が終了するまでステップＦ６の操作が繰り返し行われる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限られることなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上記実施例では、回転軸両端に軸支された格子翼を備えた攪拌機について説明したが、この形態に限定されるものではなく、平板翼などであってもよいし、翼を片持ちしたものであってもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、時系列の目標値として発熱量パターンなどの予め設定された目標値と、発熱量などの検出量とから求めた偏差に応じて重合温度を操作することによって槽内の混合物の発熱量をコントロールすることができる。すなわち、発熱量をコントロールすることによって、冷却手段の構成を簡素化できる。
【００５０】
また、ポリマー合成に際して重合温度パターンを予め設定し、この設定重合温度パターンと槽内外から検出される温度との比較により求められた温度偏差に基づいて、重合温度を操作することができる。
【００５１】
さらに、重合温度パターンの初期値を後の重合温度よりも高く設定することにより重合反応を促進させることができるので、重合反応に伴って発生する発熱量のピークポイントを総括伝熱係数の高い時点で到達させることができる。
【００５２】
つまり、混合物の伝熱性と放熱性の優れた粘度の低い状態で発熱量のピークポイントに到達させることができるので、冷却効率の向上を図れるとともに、発熱量のピーク値を抑えることもできる。その結果、冷却能力の高い特殊な冷却手段を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の方法および従来の方法による設定重合温度の推移を示した図である。
【図２】実施例の方法および従来の方法による重合率の推移を示した図である。
【図３】実施例の方法および従来の方法による発熱量の推移を示した図である。
【図４】実施例装置の概略構成図である。
【図５】実施例方法の手順を示したフローチャートである。
【図６】総括伝熱係数の変化を示した図である。
【符号の説明】
Ｒ１〜Ｒ３ … 配管
Ｓ１、Ｓ２ … 温度センサ
Ｖ１〜Ｖ３ … バルブ
１ … 攪拌機
３ … ジャケット
４ … 回転軸
６ … 攪拌翼
１１ … 第１温度指示調節計
１２ … 第２温度指示調節計
１３ … 配管加熱部

Claims

槽内に投入されたモノマーを反応させてポリマーを合成する方法において、
時系列の目標値としてポリマー合成反応時の重合温度パターンまたはこれと等価な反応要素パターンである重合率の推移を示す重合率の傾きを予め設定する際に、重合温度パターンは、前記ポリマー製造時の重合反応に伴う発熱量がピークとなる時点以前の初期段階の重合温度の目標値を当該ピーク以降の重合温度の目標値よりも高く設定し、
検出量としてポリマー合成反応時の発熱量またはこれと等価な物理量である槽内外の温度を時系列に検出し、
これら目標値と検出量との偏差に応じて重合温度を操作することを特徴とするポリマー合成方法。