ポリマー溶液から溶媒を除去するための方法

本発明はポリマー溶液から溶媒を除去するための方法に関する。

より具体的には,本発明は少なくとも1つのエラストマー性ポリマーを含むポリマー溶液から溶媒を除去するための方法に関し,この方法は少なくとも1つの層状材料及び少なくとも1つのカチオン界面活性剤を含む分散剤の存在のもとで,前記ポリマー溶液を水蒸気によるストリッピングステップにかけることを含む。

既知であるように,固体状態のポリマーを得るためにポリマー溶液から溶媒を除去するための方法は,各々「従来技術」及び「直接脱揮」として定義される2つの方法に分けることができる。

「従来技術」という用語は,例えば米国特許第3,337,422号明細書,米国特許第3,462,347号明細書又は米国特許第4,278,506号明細書に記載された技術に言及するものであり,一方「直接脱揮」という用語は,連続固相又は粒状のポリマーを処理する特定機において,ポリマー溶液中に含まれた溶媒を蒸発させる技術を言及しており,例えば米国特許第4,909,989号明細書,米国特許第5,283,021号明細書,米国特許第5,478,509号明細書,米国特許第6,150,498号明細書又は米国特許出願公開第2006/193197号明細書に記載されている。

「従来技術」は通常第1部(「スチームストリッピング」)及び第2部(乾燥)とを含む。

第1部においては,ポリマー溶液は水をいれた蒸留器(ウオーターバス)に供給され,蒸留器には水蒸気も供給される。水蒸気の一部は凝結し,溶媒の蒸発に必要とされる熱を発生する。溶媒の残存含有量が十分に低減されたポリマー塊の懸濁液が水中で得られる。更に前記第1部においては,ポリマー塊の凝集を避け,懸濁液を安定形に保ってポンプによるくみ上げを可能にすべく,分散剤を使用することが予想される。

第2部においては,機械的除去(圧搾)及びそれに続く水の蒸発により,ポリマー塊が乾燥される(塊に含まれる水の除去)。これら2つの工程,即ち機械的除去及び蒸発は,通常2つの異なる押出機において実行される。第1押出機はポリマー塊を圧搾して液状の水の流出を可能とし,一方、第2押出機は,機械的エネルギーが消散するためにポリマー相の温度が増加し,適切な脱気領域において水が瞬間的に蒸気の形状に変化可能となるため,残存水の蒸発を可能とする。

要するに「従来技術」は,溶媒が水蒸気を使用した蒸発により除去される第1ステップ,及び前記水が圧搾により液相で,機械的消散による提供されるエネルギーを介して気相で,つまり双方の相で除去される第2ステップを提供する。

上述のように「従来技術」においては,ポリマー溶液及び水蒸気は,従って水を入れた蒸留器(ウオーターバス)に供給される。しかし溶媒が蒸発すると,依然としてある程度の量の溶媒を含むポリマー塊が発生する可能性がある。その結果,従来技術においてはポリマーは「スラリー」即ち水中に浮遊させた塊として排出される。

従って蒸留器及び排出ライン又乾燥用の押出機の閉塞及びそれらの障害となることを防ぐためには,ポリマー塊を確実に正しい大きさとすること及びそれらが凝集することを防ぐことが重要である。こうした現象を防ぐために,従来技術では凝集の可能性の低減を目的として,蒸留器内の水に分散剤を加える。例えばスチレン−ブタジエン(SB)コポリマー又はスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー又はポリブタジエン(BR)等のスチレンコポリマーの場合,例えば有機分散剤(例えばRhone-Poulenc社のSopropon(登録商標)T36,Rodhia社のGeropon(登録商標)T/36,Rhom & Haas社のOrotan(登録商標)731K)及び塩化カルシウムを含む分散剤が通常使用されるが,例えばエチレン-プロピレン(EP)コポリマー又はエチレン-プロピレン-ジエン(EPDM)コポリマー等のオレフィン系コポリマーの場合,分散状態のタルクが使用される。

しかし前記分散剤の使用により,様々な障害が引き起こされる可能性がある。上述した有機分散剤及び塩化カルシウムを使用することにより,例えば、遊離塩化物の存在により蒸留器内で局所的な腐食現象が引き起こされ,最終製品の品質が低下する可能性がある。なぜなら,得られるポリマーにある程度のアルカリ性が与えられる可能性があり,従って最終製品において不所望な着色が助長されるためである。

反対に,「直接脱揮」方法はポリマー溶液を機械へと供給し,機械は壁面への熱交換及び機械的エネルギーの消散を介して,溶媒の蒸発のために必要とされるエネルギーを方法に対して供給可能である。これらの機械は,極めて粘稠な液体,半固体を処理可能であり,ポリマー相と同一の粘度を利用することにより,混合システムが機械的摩擦エネルギーをポリマー相へ供給される熱として消散する手段となり,溶媒が蒸発可能になる。

この種の方法のためには,機械の壁面を介する熱交換がエネルギー収支に対してプラスに働き,この機械においては製品の粘度が高い程(即ち残留溶媒の濃度が低い程),熱交換が低減される。

壁面を介する熱交換の係数が低いため,容積の小さい機械を使用することで満足のできる結果を得ることが可能であり,一方工業用の容積(低減された表面/容積の比を備える)を有する機械については,壁面への交換のプラス作用には実質的な限界がある。

上記の直接脱揮は蒸発による溶媒の除去に必要とされるエネルギーを最小化する。なぜなら,ポリマー相の加熱に関連付けられた微妙な熱の僅かな熱量と共に,溶媒の蒸発エネルギーのみがプロセスに対して供給されるためである。しかしこのエネルギーは,主として機械的エネルギーの消散として,即ち機械の混合システムのモータを作動させるために使用された電気エネルギーの消費としてシステムに供給される。

電気エネルギーの費用は,方法で使用されたエネルギーが等しい場合には水蒸気のエネルギーよりも高額となる。この考察に端を発すると,直接脱揮方法において使用されるエネルギーの最小化によっては,エネルギー自体の費用は最小化されないと証明できる。

米国特許第3,337,422号明細書

米国特許第3,462,347号明細書

米国特許第4,278,506号明細書

米国特許第4,909,989号明細書

米国特許第5,283,021号明細書

米国特許第5,478,509号明細書

米国特許第6,150,498号明細書

米国特許出願公開第2006/193197号明細書

従って出願人は,ポリマー溶液,特に少なくとも1つのエラストマー性ポリマーを含むポリマー溶液から溶媒を除去するための方法であって,上述の障害を克服可能である方法を発見する際の課題について考察した。

そして出願人は,ポリマー溶液からの溶媒の除去は,少なくとも1つの層状材料及び少なくとも1つのカチオン界面活性剤を含む分散剤の存在のもとで,前記ポリマー溶液を水蒸気によるストリッピングステップにかけることにより実行可能であると発見した。前記方法は,上述の腐食現象及び最終製品の着色の双方を防止可能である。更に前記方法により,分散剤(即ち層状材料及びカチオン系界面活性剤)中に存在する化合物の使用量を,上述の従来技術で既知の分散剤(即ち有機分散剤及び塩化カルシウム)中に存在する化合物の量より遥かに低減可能である。更に前記方法により得られるポリマー塊に関しては,見掛密度と平均寸法との間で良好に妥協が図られるため,過熱の問題又は最終製品の劣化に加えて通常1つ以上の押出機において発生する塊の乾燥中のポリマー自体の自己トリガー(self-triggering)の問題さえも防止できる。

従って本発明の目的は,少なくとも1つのエラストマー性ポリマーを含むポリマー溶液から溶媒を除去するための方法に関し,この方法は分散剤の存在のもとで,前記ポリマー溶液を水蒸気によるストリッピングステップにかけることを含み,前記分散剤は: - 乾燥エラストマー性ポリマーの総重量に対して,重量%で0.005%から1%,好適には0.008%から0.8%の少なくとも1つの層状材料と, - 乾燥エラストマー性ポリマーの総重量に対して,重量%で0.0005%から1%,好適には0.0008%から0.8%の少なくとも1つのカチオン界面活性剤とを含む。

本明細書及びそれに続く特許請求の範囲の記載に関しては,別段の定めがない限り,数値範囲の定義は常に極値を含む。

本発明の好適な実施形態によれば,前記エラストマー性ポリマーは:ポリブタジエン(BR);ポリイソプレン(IR);例えばスチレン-ブタジエン(SB)コポリマー,スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー,スチレン-イソプレン-スチレン(SIS)コポリマー等のランダム,ブロック,テーパー分布を備えた,直鎖状又は分岐鎖状の不飽和スチレンコポリマー;例えばスチレン-エチレン-プロピレン(SEP)コポリマー,スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン(SEBS)コポリマー,スチレン-エチレン-プロピレン-スチレン(SEPS)コポリマー又はそれらの混合物等の,ランダム,ブロック,テーパー分布を備えた,直鎖状又は分岐鎖状の飽和スチレンコポリマーから選択可能である。スチレン-ブタジエン(SB)コポリマー及びスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマーが好適である。

本発明の好適な実施形態によれば,前記ポリマー溶液は少なくとも1つの非極性有機溶媒を含み,この非極性有機溶媒は例えば;ブタン,ペンタン,シクロペンタン,ヘキサン,ベンゼン,トルエン,シクロヘキサン,メチルシクロヘキサン,クロロベンゼン又はそれらの混合物から選択可能である。ヘキサン,シクロヘキサン又はそれらの混合物が好適である。

本発明の好適な実施形態によれば,前記エラストマー性ポリマーは前記ポリマー溶液中に,ポリマー溶液の総重量に対して重量%で2%から30%,より好適には5%から20%の分量範囲で存在する。

本発明の好適な実施形態に従って,前記層状材料は,0.01 nmから30 nm,好適には0.2 nmから15 nm,さらにより好適には0.5 nmから2 nmの範囲の厚さのラメラを有する。

本発明の好適な実施形態により,前記層状材料は:例えばスメクタイトのようなフィロ珪酸塩,例えばモンモリロナイト,ベントナイト,ノントロナイト,バイデライト,ヴォルコンスコイト,ヘクトライト,サポナイト,ソーコナイト,マガディアイト,スチブンサイト又はそれらの混合物;バーミキュライト;ハロイサイト;セリサイト;アルミナート酸化物;ハイドロタルサイト;又はそれらの混合物から選択可能である。モンモリロナイトが好適である。前記層状材料は通常,例えばナトリウム(Na⁺),カルシウム(Ca²⁺),カリウム(K⁺)又はマグネシウム(Mg²⁺)のような,ラメラの表面に存在する置換可能なカチオンを含む。

本発明の更なる好適な実施形態により,前記層状材料はアルキルアンモニウム塩又はアルキルホスホニウム塩を使用して修飾することが可能であり,塩は例えば以下の一般式(I)を有する四級アンモニウム塩またはホスホニウム塩から選択可能である:

但し: - YはN又はPを表し; - R₁, R₂, R₃及びR₄は互いに等しいか又は異なり,直鎖状又は分岐鎖状のC₁-C₂₀アルキル基又はヒドロキシアルキル基;直鎖状又は分岐鎖状のC₂-C₂₀アルケニル基又はヒドロキシアルケニル基;-R₅-SH又は-R₅-NH基であって,R₅は直鎖状又は分岐鎖状のC₁-C₂₀アルキレン基を表す基;C₆-C₁₈アリール基;C₇-C₂₀アリールアルキル基又はアルキルアリール基;又はC₅-C₁₈シクロアルキル基を表し;前記シクロアルキル基は例えば酸素,窒素,硫黄等のヘテロ原子を含んでもよく; - X^n-は例えば塩化物イオン,硫酸イオン,リン酸イオン等のアニオンを表し; - nは1,2,又は3を表す。

上記アンモニウム塩又はホスホニウム塩は,上述した層状材料の表面に存在するイオンとのイオン交換反応にかけることが可能である。

もし少なくとも1つのアルキルアンモニウム塩又はアルキルホスホニウム塩で修飾された層状材料が使用される場合,この修飾は,上述のストリッピングステップで使用される前に,少なくとも1つのアルキルアンモニウム塩又はアルキルホスホニウム塩で前記層状材料を処理することで実行可能である。

少なくとも1つのアルキルアンモニウム塩又は少なくとも1つのアルキルホスホニウム塩による層状材料の処理は,従来技術で既知の方法に従って実行可能であり,例えば層状材料と少なくとも1つのアンモニウムアルキル塩又はホスホニウムアルキル塩との間のイオン交換反応を介して実行可能である。この処理に関する更なる詳細は,例えば米国特許第4,136,103号明細書,米国特許第5,747,560号明細書又は米国特許第5,952,093号明細書から明らかとなる。

代替的に,少なくとも1つのアンモニウムアルキル塩又はホスホニウムアルキル塩で既に修飾済みの層状材料も使用可能であり,こうした層状材料は市販されている修飾済層状材料から選択可能である。

本発明の目的のために使用可能であり,市販されている層状材料の例として,以下に製品名を挙げる:Laviosa Chimica Mineraria S.p.A.社のDellite(登録商品)LFV,Dellite(登録商標)HPS,Dellite(登録商標)67G,Dellite(登録商標)72T,Dellite(登録商標)43B;Southern Clays社のCloisite(登録商標)Na,Cloisite(登録商標)25A,Cloisite(登録商標)10A,Cloisite(登録商標)15A,Cloisite(登録商標)20A;Sud Chemie社の Nanofil(登録商標)8,Nanofil(登録商標)9;Dal Cin S.p.A社のBentonite(登録商標)AG/3。

前記ストリッピングステップにおける層状材料の活性を向上させるため,前記層状材料をあらかじめ層間剥離(delamination)処理にかけることが可能である。

本発明の好適な実施形態により,前記層状材料は層間剥離ステップにかけることが可能である。

好適には,前記層間剥離ステップは前記層状材料の水溶液をミキサー又は遠心分離機中で攪拌にかけることにより実行可能である。前記水溶液は,好適には水溶液の総重量に対して重量%で2.5x10^-5%から5x10^-3%,より好適には4x10^-5%から4x10^-3%の層状材料を含む。好適には前記層間剥離ステップは,好適には1,000 rpmから20,000 rpm,更に好適には5,000 rpmから10,000 rpmの毎分回転数範囲で,10°Cから40°C,更に好適には15°Cから25°Cの温度範囲で,10分から3時間,更に好適には30分から1時間の時間範囲で実行可能である。

本発明の好適な実施形態により,前記カチオン界面活性剤は上述の一般式(I)を有するアルキルアンモニウム塩又はアルキルホスホニウム塩から選択可能である。

本発明に従って使用可能であり,市販されているアルキルアンモニウム塩又はアルキルホスホニウム塩の例として,以下に製品名を挙げる:アクゾノーベル社のArquad(登録商標)HC Pastilles,Arquad(登録商標)T-50,Arquad(登録商標)2HT-75,Arquad(登録商標)MC-50,Duoquad(登録商標)T50,又はロンザ社のBardac(登録商標)LF 70。

前記ストリッピングステップの最後では,得られたエラストマー性ポリマー塊が例えば1つ以上の押出機により実行可能な乾燥ステップにかけられる。

前記ストリッピングステップは,前記乾燥ステップに加えて上述の「従来技術」に関して従来の技術領域で既知である操業条件を使用して実行される。更なる詳細は,例えば米国特許3,337,422号明細書,米国特許第3,462,347号明細書又は米国特許第4,278,506号明細書から明らかとなる。

本発明は,図1の記載を参照する例示的な実施形態により詳説される。

本発明の目的である方法の第1実施形態を示す流れ図である。

図1に示されるように,純水(2)が機械式攪拌器(図1に図示されず)を装備した蒸留器(6)に,好適には蒸留器(6)の理論容量の3分の1に達するまで供給される。その後蒸留器(6)の攪拌器が作動され,水蒸気(3)が,水が早期に沸騰することを防止するために、水温95°C以下となるような流量で供給される。

例えばDellite(登録商標)LVFである層状材料(4)は前もって層間剥離にかけられ,例えばArquad(登録商標)T-50であるカチオン界面活性剤(5)及び例えばスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー(Polimeri Europa社のEuroprene(登録商標)SOL T161B)のシクロヘキサン中のポリマー溶液(1)は,順に蒸留器(6)に供給される。:この時点で,水蒸気(3)の流量が増加され,従って水温は98°C以下とされる。前記ポリマー溶液(1)はポリマーの製造プラント(図1に図示されず)から直接導入可能である。

蒸留器(6)中で混合する間に生成された蒸気は,主として非凝縮水蒸気及び溶媒(7)の蒸気を含み,蒸留器(6)の頭部にあるバルブ(図1に図示されず)を経由して排出され,凝縮器(12)に送られる。凝縮水蒸気及び凝縮溶媒(13)を含む水溶液相は凝縮器(12)から出て,デカンター(14)に送られ,デカンター(14)から水流(15)が溶媒流(16)と共に回収され,更なる処理(図1には図示されず)へと送られる。上記更なる処理から得られた溶媒は,脱水カラム上で脱水してもよく,重合プロセスにおいて再使用可能である(例えば、任意に新しい溶媒を加えた上で,ポリマー製造プラントに再送可能である)。

エラストマー性ポリマー塊及び水を含むポリマー溶液(8)は蒸留器(6)の底部を去り,バルブ(図1には図示されず)を経由してフィルター(9)に送られ,フィルター(9)からの水流(10)は特殊な排水管か又は更なる処理(図1では図示されず)に送られるか,又はプロセス中で再使用される(即ち蒸留器(6)に送られる)。そして,エラストマー性ポリマーの塊(11)は回収されて、例えば1つ以上の押出機(図1では図示されず)である乾燥ステップに送られる。

本発明及び本発明の実施形態をより良く理解するために,例示的で非制限的な複数の実施例を以下に提示する。

下記に示す特性評価及び解析技術を使用した。

見掛密度 見掛密度は,既知の体積の乾燥させたエラストマー性ポリマー塊を2000 mlシリンダーに詰め,重量を計測して総重量を得て,そこからシリンダー重量を差し引いて得られた。上述のシリンダは,1000 ml,1500 ml及び2000 mlだけ詰められ,3回の計測が実施された。得られた3つの値の加重平均を見掛密度の値とする。

平均粒径(D50) 平均粒径(D50)は,計器により乾燥させたポリマー塊の代表量即ち100gを各テストごとに計測し,取得された。

0.1 gのDellite(登録商標)LVF(Laviosa Chimica Mineraria S.p.A.のスメクタイトファミリーに属するモンモリロナイト)及び1 lの純水がUltraturax社のミキサー中に導入された。混合物全体は1,000 rpmの毎分回転数で室温25°Cのもと,30分間攪拌された。

0.01 gのArquad(登録商標)T-50(アクゾノーベル社のトリメチルアンモニウム)が500 mlの純水に溶解された。

機械式攪拌器を備えた50 lの蒸留器へ,17 lの純水が供給された。その後,蒸留器の機械式攪拌器が600 rpmの毎分回転数で作動され,水蒸気は水温が95°Cとなるような流量で供給された。上述のようにして得られた2 lのDellite(登録商標)LVFの溶液(蒸留器中のDellite(登録商標)LVFの濃度は,乾燥スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマーの総重量に対して重量%で0.01%に等しい)と,上述のようにして得られた0.51 lのArquad(登録商標)T-50の溶液(蒸留器中のArquad(登録商標)T-50の濃度は,乾燥スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマーの総重量に対して重量%で0.001%に等しい)と,ポリマー溶液の総重量に対して重量%で13%であるスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー(Polimeri Europa社のEuroprene(登録商標)SOL T161B)のシクロヘキサン溶液,7.5 kgとが,順に6 kg/hに等しい流量で供給された。この時点で,水蒸気の流量が増加され,従って水温は98°Cとされた。

混合の間に生成された蒸気は,主として非凝縮水蒸気及びシクロヘキサンの蒸気を含んでおり,蒸留器の頭部にあるバルブを経由して排出され,凝縮部に送られた。凝縮した水蒸気及び凝縮したシクロヘキサンを含む水溶液相は,凝縮部を出てデカンターに送られ,デカンターにおいて水流及びシクロヘキサン流が分離され,それらは更なる処理へと送られた。

上記ポリマー溶液の供給終了後,蒸留器の底部上のバルブが開放され,スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊及び水を含むポリマー溶液が蒸留器の底部から出て,フィルターに送られ,フィルターからの水流は特殊な排水管に送られ,乾燥ステップに送られたスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊と共に回収された。

得られたスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊は乾燥ステップに送られた後,上述の作動に従い見掛密度及び平均粒径の計測にかけられた。得られた結果を以下に示す: - 見掛密度: 93.2 g/l; - 平均粒径: 1 cm。

実施例2(比較例) 17 lの純水が機械式攪拌器を備える50 lの蒸留器へ供給された。その後,蒸留器の機械式攪拌器が600 rpmの毎分回転数で作動され,水蒸気が供給された。1.5 gの分散剤,Sopropon(登録商標)T 36(蒸留器中のSopropon(登録商標)T 36の濃度は,乾燥スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマーの総重量に対して重量%で0.15%に等しい)を含む0.5 lの水溶液と,0.15 gの塩化カルシウムを含む0.5 lの水溶液(蒸留器中の塩化カルシウムの濃度は,乾燥スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマーの総重量に対して重量%で0.015%に等しい)と,7.5 kgのポリマー溶液であり,シクロヘキサン中でスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー(Polimeri Europa社のEuroprene(登録商標)SOL T161B)の前記ポリマー溶液の総重量に対して重量%で13%を占めるポリマー溶液とが,順に6 kg/hに等しい流量で供給された。この時点で,水蒸気の流量が増加され,従って水温は98°Cとされた。

混合の間に生成された蒸気は,主として非凝縮水蒸気及びシクロヘキサンの蒸気を含み,蒸留器の頭部にあるバルブを経由して排出され,凝縮部に送られた。凝縮した水蒸気及び凝縮したシクロヘキサンを含む水溶液相は,凝縮部を出てデカンターに送られ,デカンターにおいて水流及びシクロヘキサン流が分離され,それらは更なる処理へと送られた。

上記ポリマー溶液の供給終了後,蒸留器の底部上のバルブが開放され,スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊及び水を含むポリマー溶液が蒸留器の底部を出て,フィルターに送られ,フィルターからの水流は特殊な排水管に送られ,乾燥ステップに送られたスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊と共に回収された。

得られたスチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊は,乾燥ステップに送られた後,上述の作動に従い,見掛密度及び平均粒度の計測にかけられた。得られた結果を以下に示す: - 見掛密度: 96.2 g/l; - 平均粒径: 1 cm。

上記に報告されたデータからは,スチレン-ブタジエン-スチレン(SBS)コポリマー塊の見掛密度及び平均粒径は,実施例1(発明)において得られた見掛密度及び平均粒径と類似していると導かれる。しかし化合物即ちSopropon(登録商標)T 36及び塩化カルシウムの使用量は一桁高い。