説明

ポリビニルアセタールの製造方法及びポリビニルアセタール

【課題】反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができるポリビニルアセタールの製造方法を提供する。また、該ポリビニルアセタールの製造方法を用いて製造されるポリビニルアセタールを提供する。
【解決手段】遷移金属イオンを含有する酸性溶液中にてポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させて低重合度化する工程1、及び、前記工程1で低重合度化したポリビニルアルコールを、酸触媒の存在下においてアルデヒドと反応させてアセタール化する工程2を有するポリビニルアセタールの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができるポリビニルアセタールの製造方法に関する。また、本発明は、該ポリビニルアセタールの製造方法を用いて製造されたポリビニルアセタールに関する。
【背景技術】
【0002】
ポリビニルブチラールに代表されるポリビニルアセタールは、合わせガラス用中間膜、金属処理のウォッシュプライマー、各種塗料、接着剤、樹脂加工剤及びセラミックスバインダー等に多目的に用いられており、近年では電子材料へと用途が拡大している。このようにポリビニルアセタールの用途が多岐にわたるのは、その重合度やアセタール化度を制御することによって、樹脂の特性を調整することができるためである。
【0003】
一般に、ポリビニルアセタールは、特許文献1に開示されているように、ポリビニルアルコールとアルデヒド化合物とを塩酸等の酸触媒の存在下で脱水縮合させて製造される。このようにして製造されるポリビニルアセタールの重合度は、実質的に原料のポリビニルアルコールの重合度によって決定される。従って、ポリビニルアセタールの特性を制御するためには、目的のポリビニルアセタールに対して適宜、同一の重合度となるように正確に調整した原料ポリビニルアルコールを準備する必要があった。
【0004】
一般に、ポリビニルアルコールは、メタノール中で溶液重合されたポリ酢酸ビニルをけん化することによって製造される。しかしながら、公知の手法で製造されるポリビニルアルコールは、生産性や品質面の問題から、工業的に製造可能なものは重合度が300を超えるものに限られ、300以下の重合度を有する低重合度のポリビニルアセタールを得ることは困難である。低重合度のポリビニルアルコールを得る方法として、特許文献2には酢酸ビニルの重合に連鎖移動定数の高い溶剤を用いる方法が開示されており、特許文献3には連鎖移動剤を重合開始前及び重合中に供給しながら酢酸ビニルの重合を行う方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では、けん化する際に溶剤を置換する必要があったり、残留した連鎖移動剤を回収する必要があったりするといった製造上の問題があった。また、特許文献4には、ポリビニルアルコールを過酸化水素等の酸化剤を用いて主鎖開裂し、還元処理して低重合度化する方法が開示されている。しかしながら、特許文献4に開示されている方法で低重合度化したポリビニルアルコールは、アセタール化後に得られるポリビニルアセタールが、反応阻害によりアセタール化度の低いものとなったり、ポリビニルアセタール粒子が粗大化したりするという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平6−1853号公報
【特許文献2】特開昭63−278911号公報
【特許文献3】特開昭57−28121号公報
【特許文献4】特開2007−269881号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができるポリビニルアセタールの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、該ポリビニルアセタールの製造方法を用いて製造されたポリビニルアセタールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、遷移金属イオンを含有する酸性溶液中にてポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させて低重合度化する工程1、及び、上記工程1で低重合度化したポリビニルアルコールを、酸触媒の存在下においてアルデヒドと反応させてアセタール化する工程2を有するポリビニルアセタールの製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
【0008】
本発明者らは、ポリビニルアルコールを酸触媒の存在下においてアルデヒドと接触させて反応させるポリビニルアセタールの製造方法において、アルデヒドと反応させるポリビニルアルコールとして、遷移金属イオンを含有する酸性溶液中にて過酸化水素と接触させることによって、低重合度化したポリビニルアルコールを用いることにより、反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0009】
本発明のポリビニルアセタールの製造方法は、遷移金属イオンを含有する酸性溶液中にてポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させて低重合度化する工程1を有する。
【0010】
上記ポリビニルアルコールは特に限定されないが、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、イソ酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、ラウリル酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル等を、溶液重合法、塊状重合法、懸濁重合法、乳化重合法等により重合して得られたポリビニルエステルをアルカリ又は酸けん化することにより製造された樹脂等の従来公知のポリビニルアルコールを用いることができる。
上記ポリビニルアルコールは、完全けん化されていてもよいが、少なくとも主鎖の1カ所にメソ、ラセミ位に対して2連の水酸基を有するユニットが最低1ユニットあれば完全けん化されている必要はなく、部分けん化ポリビニルアルコールであってもよい。また、上記ポリビニルアルコールとしては、エチレン−ビニルアルコール共重合体、部分けん化エチレン−ビニルアルコール共重合体等のビニルエステルと共重合可能なモノマーとビニルエステルとの共重合体のけん化物も用いることができる。
なお、上記ポリビニルアルコールの重合度の好ましい下限は200、好ましい上限は4000であり、より好ましい下限は300、より好ましい上限は3000である。
【0011】
上記工程1において、ポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させる際の酸性溶液中のポリビニルアルコールの濃度の好ましい下限は1重量%、好ましい上限は25重量%である。上記工程1における酸性溶液中のポリビニルアルコールの濃度が1重量%未満であると、得られるポリビニルアルコールを工程2でアセタール化する際の反応効率が悪くなることがある。上記工程1における酸性溶液中のポリビニルアルコールの濃度が25重量%を超えると、溶液の粘度が高くなりすぎて攪拌することが困難となり均一に低重合度化することができなくなることがある。上記工程1における酸性溶液中のポリビニルアルコールの濃度のより好ましい下限は3重量%、より好ましい上限は20重量%、更に好ましい下限は5重量%、更に好ましい上限は17重量%である。
【0012】
上記工程1において、上記酸性溶液に用いる酸性物質は特に限定されず、例えば、塩酸等のハロゲン化水素や、硝酸、硫酸等の鉱酸や、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等のカルボン酸や、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸等のスルホン酸や、リン酸等が挙げられる。これらの酸物質は、単独で用いられてもよく、2種以上の化合物を併用してもよい。なかでも、塩酸、硝酸、硫酸が好適であり、塩酸がより好適である。
【0013】
上記酸性溶液のpHの好ましい下限は0.3、好ましい上限は4である。上記酸性溶液のpHが0.3未満であると、工程2において得られるポリビニルアセタールがイオン成分を多く含むものとなり、溶剤に対する溶解性に悪影響が出ることがある。また、工程2においてpHを調整するためにアルカリ中和剤を用いて中和する必要がある場合があり、コストアップにつながるおそれがある。上記酸性溶液のpHが4を超えると、ポリビニルアルコールの低重合度化が進まず、目的のポリビニルアセタールの重合度が得られないことがある。上記酸性溶液のpHのより好ましい下限は1、より好ましい上限は3である。
【0014】
上記遷移金属イオンは、ポリビニルアルコールの低重合度化を効率的に進めるための触媒的な働きをするものであり、極微量を添加するだけで効果を発現する。
上記遷移金属イオンは特に限定されないが、鉄イオン及び/又は銅イオンが好ましく、二価の鉄イオン、三価の鉄イオン、一価の銅イオン、及び、二価の銅イオンからなる群より選択される少なくとも1種であることがより好ましい。
【0015】
上記酸性溶液中における遷移金属イオン濃度の好ましい下限は0.01mmol/L、好ましい上限は10mmol/Lである。上記遷移金属イオン濃度が0.01mmol/L未満であると、ポリビニルアルコールの低重合度化が進まず、目的のポリビニルアセタールの重合度が得られないことがある。上記遷移金属イオン濃度が10mmol/Lを超えると、工程2において得られるポリビニルアセタールがイオン成分を多く含むものとなり、溶剤に対する溶解性に悪影響が出ることがある。上記遷移金属イオン濃度のより好ましい下限は0.03mmol/L、より好ましい上限は5mmol/Lであり、更に好ましい下限は0.05mmol/L、更に好ましい上限は2mmol/Lである。
【0016】
上記酸性溶液に含有される溶剤は、ポリビニルアルコールを溶解するものであればよいが、得られる低重合度化したポリビニルアルコールを工程2においてアセタール化する際に溶剤置換をする必要を無くすためにアセタール化の溶剤と同一の溶剤を用いることが好ましい。具体的には、水系溶剤が好適に用いられる。
【0017】
上記過酸化水素の添加量は、用いるポリビニルアセタール原料と、目的とするポリビニルアセタールの重合度に応じて変更することができ、これによって得られるポリビニルアルコールの重合度を任意に変更することができる。また、過酸化水素の添加方法は、反応初期に一括で添加してもよく、反応の進行に伴って分割して添加してもよく、連続的に滴下しながら添加してもよい。
【0018】
上記工程1において、上記ポリビニルアルコールを上記過酸化水素と接触させる際の温度の好ましい下限は30℃、好ましい上限は100℃である。上記ポリビニルアルコールを上記過酸化水素と接触させる際の温度が30℃未満であると、ポリビニルアルコールを低重合度化するために必要な時間が長時間となることがある。上記ポリビニルアルコールを上記過酸化水素と接触させる際の温度が100℃を超えると、溶剤が揮発して工程2においてポリビニルアセタールの未溶解物が発生し、得られるポリビニルアセタールの溶剤に対する溶解性に悪影響が出ることがある。上記ポリビニルアルコールを上記過酸化水素と接触させる際の温度のより好ましい下限は40℃、より好ましい上限は95℃である。
【0019】
上記工程1において、上記ポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させる時間は、目的のポリビニルアセタールの重合度に応じて変更することができるが、10分〜2時間行えば上記工程1で目的とする低重合度化したポリビニルアルコールを得ることができる。
【0020】
本発明のポリビニルアセタールの製造方法は、上記工程1で低重合度化したポリビニルアルコールを、酸触媒の存在下においてアルデヒドと反応させてアセタール化する工程2を有する。
【0021】
上記工程2において、上記低重合度化したポリビニルアルコールを酸触媒の存在下においてアルデヒドと反応させてアセタール化し、ポリビニルアセタールを得る方法としては、従来公知の方法を使用することができる。例えば、ポリビニルブチラールを得る場合は、過酸化水素により低重合度化したポリビニルアルコールを1〜25重量%含む水溶液を調製し、−5〜30℃の温度範囲で酸触媒、及び、ブチルアルデヒドを接触させて20分〜6時間反応を進行させ、その後に温度を10〜50℃上昇させて更に30分〜5時間熟成反応させて反応を完了し、好ましくは冷却工程を経た後、析出したポリビニルブチラールを洗浄する方法が挙げられる。
【0022】
上記工程2において、上記低重合度化したポリビニルアルコールをアルデヒドと反応させる際の系の過酸化水素濃度は0.1mol/L以下であることが好ましい。上記過酸化水素濃度が0.1mol/Lを超えている場合、ポリビニルアルコールとアルデヒドとが反応する前に、アルデヒドが過酸化水素と付加体を形成することによってアセタール化が阻害され、得られるポリビニルアセタールのアセタール化度が低くなったり、生成したポリビニルアセタールの形状が粉体では得られずに粗大粒子となり、洗浄や乾燥が充分にできず、品質に悪影響を及ぼしたりすることがある。
【0023】
上記低重合度化したポリビニルアルコールをアルデヒドと反応させる際の系の過酸化水素濃度を0.1mol/L以下とする方法としては、上記工程1において添加する過酸化水素の量や、工程1の時間や、工程1の温度を適宜調整することによって、過酸化水素がポリビニルアルコールの低重合度化によって消費されることにより上記濃度範囲となるよう工程1の条件を設定すればよい。また、工程1から工程2へと移行する段階において過酸化水素濃度が0.1mol/Lを超えている場合には、過酸化水素の分解を促進する化合物を添加して過酸化水素濃度を調整する方法や、過酸化水素と酸化還元反応を起こす化合物を添加して過酸化水素濃度を調整する方法によっても、過酸化水素濃度を上記範囲以内に調整することができる。
上記過酸化水素の分解を促進する化合物としては、二酸化マンガンやカタラーゼ等が挙げられ、上記過酸化水素と酸化還元反応を起こす化合物としては、過マンガン酸カリウムや重クロム酸カリウム等が挙げられる。
【0024】
上記酸触媒は特に限定されず、塩酸等のハロゲン化水素や、硝酸、硫酸等の鉱酸や、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等のカルボン酸や、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸等のスルホン酸や、リン酸等が挙げられる。これらの酸触媒は、単独で用いられてもよく、2種以上の化合物を併用してもよい。なかでも、塩酸、硝酸、硫酸が好適であり、塩酸がより好適である。
【0025】
上記アルデヒドは、例えば、炭素数1〜19の直鎖状、分枝状、環状飽和、環状不飽和、又は、芳香族のアルデヒドが挙げられる。具体的には例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオニルアルデヒド、n−ブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、tert−ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シクロヘキシルアルデヒド等が挙げられる。上記アルデヒドは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。また、上記アルデヒドはホルムアルデヒドを除き、1以上の水素原子がハロゲン等により置換されたものであってもよい。
【0026】
上記工程2で得られるポリビニルアセタールのアセタール化度は、上記ポリビニルアルコールに対する上記アルデヒドの配合量を適宜変更することにより調整することができる。
【0027】
本発明のポリビニルアセタールの製造方法を用いることにより、粒子を粗大化させることなく低重合度かつ高いアセタール化度を有するポリビニルアセタールを得ることができる。このようにして製造されるポリビニルアセタールもまた、本発明の1つである。
【発明の効果】
【0028】
本発明によれば、反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができるポリビニルアセタールの製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、該ポリビニルアセタールの製造方法を用いて製造されるポリビニルアセタールを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下に実施例を挙げて本発明の態様を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
【0030】
(実施例1)
ポリビニルアルコールA(鹸化度99%、重合度2000)100g、イオン交換水860gを2Lのセパラブルフラスコにて95℃で1時間、150rpmで加熱攪拌しポリビニルアルコール水溶液を得た。次いで、攪拌したまま温度を60℃とした後、塩酸を投入してpHを1.3とし、塩化鉄(II)を二価の鉄イオン濃度が0.2mmol/Lとなるように添加した。次いで、35重量%濃度の過酸化水素水25gを添加し、1時間反応させて低重合度化したポリビニルアルコールを得た。
得られたポリビニルアルコール水溶液を60分かけて5℃にまで冷却した後、25重量%の塩酸110gとブチルアルデヒド62gを添加し180分間アセタール化反応させた。その後、60分かけて40℃にまで昇温し、その温度で更に120分反応させ、室温にまで冷却した後に析出した樹脂を濾過により回収し、樹脂分をイオン交換水で洗浄した。次いで、得られた樹脂を炭酸ナトリウム水溶液で洗浄した後、再度水洗し、乾燥させてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0031】
(実施例2)
ポリビニルアルコールAに代えてポリビニルアルコールB(鹸化度99%、重合度3000)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0032】
(実施例3)
塩化鉄(II)に代えて塩化銅(I)を、一価の銅イオン濃度が0.2mmol/Lとなるように添加したこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0033】
(実施例4)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液中の二価の鉄イオン濃度を10mmol/Lに変更したこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0034】
(実施例5)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液中の二価の鉄イオン濃度を0.01mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0035】
(実施例6)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液のpHを0.3に変更し、二価の鉄イオン濃度を10mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0036】
(実施例7)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液のpHを3に変更し、二価の鉄イオン濃度を10mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0037】
(実施例8)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液のpHを3.5に変更し、二価の鉄イオン濃度を15mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0038】
(実施例9)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液中の二価の鉄イオン濃度を0.005mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0039】
(実施例10)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際の溶液のpHを0.2に変更し、二価の鉄イオン濃度を10mmol/Lに変更し、過酸化水素水を添加した後の反応時間を3時間としたこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0040】
(比較例1)
過酸化水素を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0041】
(比較例2)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際に塩酸を添加せず、酸性条件にしなかった(pH7)こと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0042】
(比較例3)
ポリビニルアルコールを低重合度化する際に塩化鉄(II)を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にしてポリビニルブチラールを得た。アルデヒドを添加した際の溶液中の過酸化水素濃度を表1に示した。
【0043】
<評価>
実施例及び比較例で製造したポリビニルブチラールについて、以下の評価を行った。結果を表1に示した。
【0044】
(1)重合度
エタノール25gに得られたポリビニルブチラール2gを加え、次いで、塩酸ヒドロキシルアミン15gをイオン交換水100gに溶解した溶液10mlと塩酸5mlとを加え、沸騰水浴中で3時間加熱した。冷却後、アンモニア水で中和してからメタノールを加えて樹脂を析出させ、更にメタノールで洗浄してから乾燥させた樹脂を水100gに加熱溶解させた。得られた溶液に対してJIS K6726に準拠して重合度を測定した。また、得られたポリビニルブチラールの重合度を、低重合度化前のポリビニルアルコールの重合度で除した数値(重合度低下率)についても評価した。
【0045】
(2)ブチラール化度
得られたポリビニルブチラールを重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、H−NMR測定によりブチラール化度を測定した。
【0046】
(3)樹脂粒子形状
得られたポリビニルブチラールの粒子形状を目開き1mmのふるいにかけて評価した。ほぼ全ての樹脂がふるいから落下した場合を「○」、半分程度落下した場合を「△」、ほとんど落下しなかった場合を「×」として評価した。
【0047】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0048】
本発明によれば、反応阻害や粒子の粗大化をほとんど引き起こすことなく低重合度のポリビニルアセタールを製造することができるポリビニルアセタールの製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、該ポリビニルアセタールの製造方法を用いて製造されるポリビニルアセタールを提供することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
遷移金属イオンを含有する酸性溶液中にてポリビニルアルコールを過酸化水素と接触させて低重合度化する工程1、及び、
前記工程1で低重合度化したポリビニルアルコールを、酸触媒の存在下においてアルデヒドと反応させてアセタール化する工程2を有する
ことを特徴とするポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項2】
遷移金属イオンは、鉄イオン及び/又は銅イオンを含むことを特徴とする請求項1記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項3】
遷移金属イオンは、二価の鉄イオン、三価の鉄イオン、一価の銅イオン、及び、二価の銅イオンからなる群より選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項4】
遷移金属イオンを含有する酸性溶液の遷移金属イオン濃度が0.01〜10mmol/Lであることを特徴とする請求項1、2又は3記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項5】
遷移金属イオンを含有する酸性溶液のpHが0.3〜3であることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項6】
工程1において、ポリビニルアルコールの低重合度化は、ポリビニルアルコールの溶解とともに行うことを特徴とする請求項1、2、3、4又は5記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項7】
工程2において、ポリビニルアルコールとアルデヒドとを接触させる際の系の過酸化水素濃度が0.1mol/L以下であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載のポリビニルアセタールの製造方法。
【請求項8】
請求項1、2、3、4、5、6又は7記載のポリビニルアセタールの製造方法によって製造されたポリビニルアセタール。

【公開番号】特開2012−67270(P2012−67270A)
【公開日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−215772(P2010−215772)
【出願日】平成22年9月27日(2010.9.27)
【出願人】(000002174)積水化学工業株式会社 (5,781)
【Fターム(参考)】