ダイナミックスを積極的に利用した連続操作による高分子微粒子の高精度制御法の開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13555207
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 大村 直人 神戸大学, 工学部, 助教授 (50223954)
• 研究分担者: 片岡 邦夫 神戸大学, 工学部, 教授 (20031081)
• キーワード: 連続乳化重合 / 非線形現象 / 多重安定性 / ダイナミックプロセス / 周期操作 / 非定常性 / テイラー渦流反応装置 / 粒子径分布振動

研究概要

本研究では、連続乳化重合により高分子ラテックス粒子の粒子径分布の高度な制御法の開発と実用化を目的とし、その方法として、流動・混合や反応系の持っている非線形ダイナミックスをポジティブに捉え、積極的に利用することである。本研究でクリアしようとする課題は以下の通りである。
1)反応系の非線形ダイナミックスを応用した粒子径分布の制御法の確立
2)流動・混合の非線形ダイナミックスを応用した粒子径分布の制御法の確立
3)ダイナミックプロセスのシンセシスに向けた設計モデルと最適化手法の確立
本年度は、連続乳化重合反応中の粒子の凝集ダイナミックスに着目して研究を行った。まず、撹拌槽型の連続反応装置を用いた場合、反応が定常に達し、重合率が一定になっても、反応装置内に新たに発生する1次粒子が既存粒子に凝集することにより、粒子径分布が大きな時間スケールで変動することを見出した。この時間的挙動は、疎水性モノマーであるスチレン、親水性モノマーである酢酸ビニル、メチルメタクリレートいずれを用いた場合でも観測された。これまで乳化剤として使用してきたアニオン性界面活性剤にノニオン性界面活性剤を少量加えることで、この粒子径分布の時間変動現象を著しく抑制することができることがわかった。また、昨年度から行っている反応温度の周期操作の実験結果から、1次粒子が大量に発生する高温操作時に、粒子凝集により粒子径が急激に成長することが明らかとなった。来年度は、温度の周期操作において、高温操作時にノニオン性界面活性剤を添加する方法を用いて重合を行い、さらに高精度な粒子制御法の確立を目指す。
次に、流動・混合の非線形ダイナミックスを利用する方法については、テイラー渦流反応装置を用い、反応装置内に存在する組織的な渦セルを一つの混合ユニットとして利用し、スチレンの連続重合反応を行った。その結果、テイラー渦流装置においては、原料供給流量(装置内線速度)と回転数の2つのパラメータで、渦セルの軸方向の移動速度を表すことができ、装置内の混合はこの渦セルの移動速度に強く依存することが分かつた。さらに、渦セルの移動速度が大きくなるにつれ、反応装置内の押し出し性が増し、これにより、単分散な高分子微粒子が得られることが分かった。

研究成果

• [文献書誌] K.Kataoka: "Effect of Nonlinear Coupling between Transport and Reaction Dynamics in Polymerization Processes"Proceedings of 13^<th> International Symposium on Transport Phenomena, Canada. 491-496 (2002)
• [文献書誌] K.Kataoka: "Self-sustained Oscillation of Particle Size Distribution in Continuous Emulsion Polymerization"Proceedings of 15^<th> International Congress of Chemical and Process Engineering, Praha, Czech. A5-2-38(CD-ROM). (2002)
• [文献書誌] N.Ohmura: "Self-Sustained Oscillation of PSD of Latex Particles in Continuous Emulsion Polymerization"Proceedings of 9^<th> APCChE, Christchurch, New Zealand. 654(CD-ROM). 1-8 (2002)
• [文献書誌] N.Ohmura: "Effect of Inhomogeneous Mixing on Chemical Reaction in a Taylor Vortex Flow Reactor"Journal of Chemical Engineering of Japan. Vol.35・No.7. 692-695 (2002)
• [文献書誌] 大村直人: "反応温度の周期操作を用いた酢酸ビニルの連続乳化重合"化学工学論文集. (掲載決定). (2003)
• [文献書誌] 片岡邦夫: "回分および連続操作による酢酸ビニルの乳化重合のダイナミックス"化学工学論文集. (掲載決定). (2003)