(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コポリマー粒子（Ａ）を硫酸と反応させる方法であって、反応混合物を８０℃以上の温度に加熱する工程を含み、前記反応混合物は、
（ａ）コポリマー粒子（Ａ）と、
（ｂ）硫酸と、
（ｃ）前記コポリマー粒子（Ａ）とは異なる固体粒子（Ｂ）と、を含み、前記固体粒子（Ｂ）は、５０ｍ２／ｇ〜５，０００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有し、
前記硫酸は発煙硫酸の形態であり、前記固体粒子（Ｂ）は活性炭粒子を含み、
前記コポリマー粒子（Ａ）は、アクリロニトリルもしくはメタクリロニトリルまたはそれらの組み合わせの重合単位を含む１つ以上のビニルポリマーを含む、方法。
【請求項２】
コポリマー粒子（Ａ）を硫酸と反応させる方法であって、反応混合物を８０℃以上の温度に加熱する工程を含み、前記反応混合物は、
（ａ）コポリマー粒子（Ａ）と、
（ｂ）硫酸と、
（ｃ）前記コポリマー粒子（Ａ）とは異なる固体粒子（Ｂ）と、を含み、前記固体粒子（Ｂ）は、５０ｍ２／ｇ〜５，０００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有し、
前記硫酸は発煙硫酸の形態であり、前記固体粒子（Ｂ）は活性炭粒子を含み、
前記コポリマー粒子（Ａ）は、１つ以上のビニル芳香族モノマーの重合単位を含む１つ以上のビニルポリマーを含む、方法。
【請求項３】
前記活性炭粒子は、粉末炭素粒子である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法は、前記加熱の後に、前記硫酸及び前記固体粒子（Ｂ）から前記コポリマー粒子（Ａ）を分離する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記固体粒子（Ｂ）の体積平均粒子径は、２００μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
コポリマーを硫酸と反応させて樹脂を作り出すことがしばしば望ましい。このような反応を行うための一般的な方法は、コポリマーと硫酸とを含有する混合物を形成し、混合物をある時間にわたって加熱してスルホン官能基を有する樹脂を生成し、次いで樹脂を硫酸から分離することである。いくつかの場合では、このような方法で樹脂を反応させた後、樹脂に水を接触させると水が着色するが、このことは、樹脂から水に１つ以上の着色化合物が移動したと想定される。そのような移動プロセスから生じる水中の色は、樹脂の「カラースロー」として知られており、大量のカラースローは望ましくないと考えられている。
【０００２】
Ｃａｂｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの出版物「Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｃａｒｂｏｎｓ  ａｎｄ  Ｗｈａｔ  Ｔｈｅｙ  Ｃａｎ  Ｄｏ  Ｆｏｒ  Ｙｏｕ」は、残留色を除去するために活性炭がしばしば使用されると述べている。カラースローが低減された樹脂を製造する、硫酸とコポリマーとを反応させる方法を特定することが所望される。
【０００３】
以下は、本発明の陳述である。
【０００４】
本発明の一態様は、コポリマーを硫酸と反応させる方法であって、反応混合物を８０℃以上の温度に加熱する工程を含み、該反応混合物は、
（ａ）コポリマー粒子（Ａ）の集合体と、
（ｂ）硫酸と、
（ｃ）該コポリマー粒子（Ａ）とは異なる固体粒子（Ｂ）の集合体と、を含み、該固体粒子（Ｂ）は、５０ｍ２／ｇ〜５，０００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有する、方法である。
【０００５】
以下は、本発明の詳細な説明である。
【０００６】
本明細書中で使用されるとき、以下の用語は、文脈上他に明確に示されていない限り、指定された定義を有する。
【０００７】
本明細書で使用される「樹脂」は、「ポリマー」の同義語である。本明細書で使用される「ポリマー」は、より小さな化学反復単位の反応生成物から構成される比較的大きな分子である。ポリマーは、直鎖状、分枝状、星型、ループ状、超分枝状、架橋状、またはそれらの組み合わせである構造を有していてもよい。ポリマーは単一種の反復単位（「ホモポリマー」）を有していてもよく、またはそれらは２種以上の反復単位（「コポリマー」）を有していてもよい。コポリマーは、ランダムに、連続して、ブロックで、他の配置で、またはそれらの任意の混合物もしくは組み合わせで配置された様々な種類の反復単位を有し得る。ポリマーの重量平均分子量は２，０００以上である。
【０００８】
互いに反応してポリマーの反復単位を形成することができる分子は、本明細書では「モノマー」として知られている。このように形成された反復単位は、本明細書ではモノマーの「重合単位」として知られている。
【０００９】
ビニルモノマーは以下の構造を有し、
【００１０】
【化１】
0006763871.tif 000002
【００１１】
式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４の各々は独立して、水素、ハロゲン、脂肪族基（例えば、アルキル基など）、置換脂肪族基、アリール基、置換アリール基、別の置換もしくは非置換の有機基、またはそれらの任意の組み合わせである。ビニルモノマーは２，０００未満の分子量を有する。ビニルモノマーには、例えば、スチレン、置換スチレン、ジエン、エチレン、エチレン誘導体、及びそれらの混合物が含まれる。エチレン誘導体には、例えば、以下のものの非置換及び置換バージョンが含まれる：酢酸ビニル及びアクリルモノマー。アクリルモノマーは、（メタ）アクリロニトリル、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸のアルキルエステル、（メタ）アクリル酸のアミド、塩化ビニル、ハロゲン化アルケン、及びそれらの混合物から選択されるモノマーである。本明細書で使用される接頭語「（メタ）アクリル−」は、アクリル−またはメタクリル−のいずれかを意味する。「置換された」は、例えば、アルキル基、アルケニル基、ビニル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボン酸基、他の官能基、及びそれらの組み合わせなどの少なくとも１つの結合した化学基を有することを意味する。
【００１２】
本明細書で使用されるとき、ビニル芳香族モノマーは、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４のうちの１つ以上が１つ以上の芳香族環を含む、ビニルモノマーである。
【００１３】
モノビニルモノマーは、１分子当たりちょうど１つの非芳香族炭素−炭素二重結合を有するビニルモノマーである。マルチビニルモノマーは、１分子当たり２個以上の非芳香族炭素−炭素二重結合を有するビニルモノマーである。
【００１４】
重合単位の９０モル％以上が１種以上のビニルモノマーの重合単位であるポリマーは、ビニルポリマーである。
【００１５】
粒子の集合体は、粒子の直径により特徴付けられる。粒子が球状でない場合、粒子の直径は、その粒子と同じ体積を有する粒子の直径と考えられる。粒子の集合体は、本明細書では、その集合体の体積平均直径によって特徴付けられる。粒子が０℃〜８０℃を含む温度範囲にわたって固体状態にある場合、その粒子は本明細書では固体であると見なされる。固体粒子の集合体の表面積は、Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法によって決定される。
【００１６】
本明細書で使用されるとき、発煙硫酸は、硫酸を含有する混合物である。発煙硫酸は、硫酸と三酸化硫黄とを混合することによって作製される。硫酸は三酸化硫黄と反応してピロ硫酸（Ｈ２Ｓ２Ｏ７）を形成すると想定される。発煙硫酸に水を添加した場合、各１モルの水は１モルのピロ硫酸と反応して２モルの硫酸を形成すると考えられる。発煙硫酸の試料の「濃度」は、発煙硫酸の試料の重量に基づくパーセンテージとして、発煙硫酸の試料に十分な水を添加してすべてのピロ硫酸を硫酸に変換した場合に存在するであろう硫酸の重量と見なされる。この定義により、発煙硫酸の「濃度」は１００％より大きくなり得る。発煙硫酸を特徴付ける別の方法は、発煙硫酸の各試料がＸグラムの硫酸とＹグラムの三酸化硫黄との反応生成物として特徴付けられ得ると考えるパラメータ「％発煙硫酸」である。パラメータＸ及びＹは、発煙硫酸の試料の組成によって一意的に決定される。次いで、「％発煙硫酸」は、１００×Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）である。硫酸の濃度が「Ｃ％以上」である硫酸の試料が用いられたとして本明細書で述べられた場合、試料は、（１）硫酸の重量濃度がＣ％〜１００％である水中の硫酸の混合物または（２）発煙硫酸のいずれかであることを意味する。
【００１７】
本明細書で比がＸ：１以上であると言われる場合、比はＹ：１（ＹはＸ以上である）を意味する。例えば、比が３：１以上であると言われる場合、その比は、３：１または５：１または１００：１であってもよいが、２：１であってはならない。同様に、本明細書で比がＷ：１以下であると言われる場合、比はＺ：１（ＺはＷ以下である）を意味する。例えば、比が１５：１以下であると言われる場合、その比は、１５：１または１０：１または０．１：１であってもよいが、２０：１であってはならない。
【００１８】
本発明は、コポリマー（Ａ）の使用を伴う。コポリマー（Ａ）のために好ましいコポリマーは、ビニルポリマーである。ビニルポリマーの中でも、「ＡＮポリマー」及び「ビニル芳香族ポリマー」と本明細書で標示される２種類のビニルポリマーが好ましい。
【００１９】
ＡＮポリマーは、アクリロニトリルもしくはメタクリロニトリルまたはこれらの組み合わせの重合単位を含有するビニルポリマーである。好ましいＡＮポリマーは、いずれのビニル芳香族モノマーの重合単位も有しない。ＡＮポリマーの中で、好ましくは、アクリロニトリル及びメタクリロニトリルの重合単位の量は、ＡＮポリマーの重量に基づいて、５０重量％以上であり、より好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは９５重量％以上である。ＡＮポリマーの中でも、ポリ（アクリロニトリル）ホモポリマーが最も好ましい。
【００２０】
ビニル芳香族ポリマーが好ましい。ビニル芳香族ポリマーの中で、好ましくは、ビニル芳香族モノマーの重合単位の量は、コポリマー（Ａ）の重量に基づいて、５０重量％以上であり、より好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは８５重量％以上であり、より好ましくは９５重量％以上であり、より好ましくは９９重量％以上である。好ましいビニル芳香族モノマーは、スチレン、アルキルスチレン、アルファ−アルキルスチレン、及びジビニルベンゼンであり、スチレン及びジビニルベンゼンがより好ましい。ビニル芳香族ポリマーの中で、好ましくは、スチレンの重合単位の量＋ジビニルベンゼンの重合単位の量は、コポリマー（Ａ）の重量に基づいて、４０重量％以上であり、より好ましくは６５重量％であり、より好ましくは７５重量％以上であり、より好ましくは８０重量％以上である。好ましくは、ジビニルベンゼンの重合単位の量は、コポリマーの重量に基づいて、１０重量％以上であり、より好ましくは２０重量％以上である。
【００２１】
好ましいビニルポリマーは、１つ以上のマルチビニルモノマーの重合単位を有する。好ましくは、マルチビニルモノマーの重合単位の量は、ビニルポリマーの重量に基づいて、０．５重量％以上であり、より好ましくは１重量％以上であり、より好ましくは２重量％以上である。好ましくは、マルチビニルモノマーの重合単位の量は、ビニルポリマーの重量に基づいて、１００重量％以下である。
【００２２】
本発明はいかなる特定の理論にも限定されないが、ＡＮポリマーが、硫酸を含有する水と反応するとき、ニトリル基の一部または全部がカルボキシル基に変換されることが企図される。ビニル芳香族ポリマーが、芳香族環の一部または全部において、硫酸と反応するとき、芳香族環内の炭素原子に結合した水素原子が１つ以上の−ＳＯ３基で置き換えられることがさらに企図される。
【００２３】
コポリマー（Ａ）は、粒子（Ａ）の集合体の形態である。好ましくは、体積平均粒子径は５０μｍ以上であり、より好ましくは１００μｍ以上であり、より好ましくは３００μｍ以上である。好ましくは、体積平均粒子径は２ｍｍ以下であり、より好ましくは１ｍｍ以下である。
【００２４】
本発明は、硫酸の使用を含む。コポリマー（Ａ）がビニル芳香族ポリマーである場合、硫酸に対する以下の好ましい選択が適用される。水及び硫酸の溶液が使用される場合、好ましくは、硫酸の濃度は、硫酸の水溶液の重量に基づいて、９２重量％以上であり、より好ましくは９５重量％以上である。好ましくは、硫酸は発煙硫酸の形態で存在する。好ましくは、発煙硫酸の濃度は１００重量％以上、より好ましくは１０３重量％以上である。好ましくは、％発煙硫酸は５％以上であり、より好ましくは１０％以上であり、より好ましくは１５％以上である。
【００２５】
コポリマー（Ａ）がビニル芳香族ポリマーである場合、好ましくは、コポリマー（Ａ）は、硫酸と接触する前に、比較的少量の水を含有する。好ましくは、水対乾燥コポリマー（Ａ）の重量比は、０．２５：１以下であり、より好ましくは０．１１：１以下である。
【００２６】
コポリマー（Ａ）がＡＮポリマーである場合、硫酸に対する以下の好ましい選択が適用される。好ましくは、硫酸は硫酸水溶液の形態である。好ましくは、硫酸の濃度は、硫酸水溶液の重量に基づいて、２０重量％以上であり、より好ましくは４０重量％以上であり、より好ましくは５０重量％以上である。好ましくは、硫酸の濃度は、硫酸水溶液の重量に基づいて、９０重量％以下であり、より好ましくは８０重量％以下である。
【００２７】
本発明は、ＢＥＴ法による５０ｍ２／ｇ〜５，０００ｍ２／ｇの表面積を有する固体粒子（Ｂ）を使用することを含む。好ましくは、粒子（Ｂ）は、１００ｍ２／ｇ以上、より好ましくは２００ｍ２／ｇ以上、より好ましくは５００ｍ２／ｇ以上、より好ましくは８００ｍ２／ｇ以上の表面積を有する。好ましくは、粒子（Ｂ）は２，５００ｍ２／ｇ以下の表面積を有する。
【００２８】
好ましくは、固体粒子（Ｂ）の体積平均粒子径は、２００μｍ以下であり、より好ましくは１００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは２０μｍ以下である。好ましくは、固体粒子（Ｂ）の体積平均粒子径は０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上である。
【００２９】
好ましい固体粒子（Ｂ）は、樹脂粒子もしくは活性炭粒子またはそれらの混合物である。固体粒子（Ｂ）が樹脂粒子である場合、好ましくは、樹脂粒子は、高ＤＶＢ樹脂、架橋後樹脂、及び熱分解樹脂から選択される。高ＤＶＢ樹脂は、高ＤＶＢ樹脂の重量に基づいて、５０重量％以上、より好ましくは６０重量％以上、より好ましくは７０重量％以上、より好ましくは８０重量％以上の量のジビニルベンゼン（ＤＶＢ）の重合単位を有する。架橋後樹脂は、スチレン及びＤＶＢを含むモノマーの共重合によって製造され、得られたコポリマーを架橋反応に付し、好ましくはフリーデル−クラフツ反応により、メチレン架橋を作り出す。熱分解された樹脂は、スチレン及びＤＶＢを含むモノマーの共重合によって製造され、得られたコポリマーを硫酸と接触させてスルホネート基をコポリマーに付加してスルホン化樹脂を形成し、次いでスルホン化樹脂を熱分解させる。樹脂粒子は、好ましくは懸濁重合によって作製される。任意に、懸濁重合後、樹脂粒子に研削等の機械的処理を施して体積平均粒子径を小さくしてもよい。
【００３０】
好ましくは、固体粒子（Ｂ）は、活性炭の粒子である。粉末活性炭が好ましい。
【００３１】
硫酸が発煙硫酸の形態で存在しない場合、好ましくは、硫酸対コポリマー（Ａ）の重量比は５：１以上であり、より好ましくは１０：１以上であり、より好ましくは２０：１以上である。硫酸が発煙硫酸の形態で存在しない場合、好ましくは硫酸対コポリマー（Ａ）の重量比は２００：１以下であり、より好ましくは１００：１以下である。硫酸が発煙硫酸の形態で存在する場合、好ましくは、発煙硫酸対コポリマー（Ａ）の重量比は５：１以上であり、より好ましくは１０：１以上であり、より好ましくは２０：１以上である。硫酸が発煙硫酸の形態で存在する場合、好ましくは、発煙硫酸対コポリマー（Ａ）の重量比は２００：１以下であり、より好ましくは１００：１以下である。
【００３２】
好ましくは、固体粒子（Ｂ）対コポリマー（Ａ）の重量比は０．０１：１以上であり、より好ましくは０．０３：１以上であり、より好ましくは０．０９：１以上である。好ましくは、固体粒子（Ｂ）対コポリマー（Ａ）の重量比は３：１以下であり、より好ましくは２：１以下であり、より好ましくは１：１以下である。
【００３３】
本発明の方法は、コポリマー（Ａ）と、硫酸と、固体粒子（Ｂ）との反応混合物を一定期間、保持温度に加熱する工程を含む。コポリマー（Ａ）がビニルポリマーである場合、好ましくは、保持温度は１００℃以上であり、より好ましくは１１０℃以上であり、より好ましくは１２０℃以上である。コポリマー（Ａ）がビニルポリマーである場合、好ましくは、本発明の方法で到達する最高温度は２５０℃以下であり、より好ましくは２００℃以下である。好ましくは、保持温度は１時間以上、より好ましくは２時間以上、より好ましくは３時間以上の持続期間にわたって維持される。好ましくは、保持温度は２４時間以下、より好ましくは１８時間以下の持続期間にわたって維持される。
【００３４】
コポリマー（Ａ）がＡＮポリマーである場合、保持温度は好ましくは８０℃以上であり、より好ましくは９０℃以上である。コポリマー（Ａ）がＡＮポリマーである場合、保持温度は好ましくは１００℃未満である。
【００３５】
好ましくは、反応混合物が加熱される間、それはまた攪拌される。好ましくは、撹拌は、樹脂粒子、硫酸、及び固体粒子（Ｂ）粒子の間の完全で密接な接触を提供するのに十分なほどである。好ましくは、撹拌は、反応混合物中に渦を作り出すのに十分なほどである。
【００３６】
反応混合物が硫酸と樹脂との間の反応が完全である、または所望の程度に完全であると見なされるまで保持温度に加熱された時点、その時点が終了時間と見なされる。好ましくは、終了時間に達した後、反応混合物を１００℃未満の温度に冷却する。好ましくは、終了時間に達した後、比較的希薄な硫酸を反応混合物に添加する。「比較的希薄な硫酸」は、終了時に反応混合物中に見出される硫酸対水の重量比よりも低い硫酸対水の重量比を有する硫酸水溶液である。好ましくは、希硫酸を添加した後、水を添加する。反応混合物を冷却し、比較的希薄な硫酸を添加し、水を添加することは全て、樹脂と硫酸との間の反応を停止処理するのに役立つことが企図される。
【００３７】
好ましくは、硫酸とコポリマー（Ａ）との間の反応が行われた後、得られた樹脂は硫酸から、固体粒子（Ｂ）から、及び存在し得る水の一部または全部から分離される。好ましくは、樹脂のポリマー粒子は、固体粒子（Ｂ）の粒子より大きい。樹脂を分離する好ましい方法は、液体を通し、かつ固体粒子（Ｂ）を通すが樹脂のポリマー粒子を通さない濾過媒体に反応混合物を通すことである。１つの好ましい濾過媒体は、樹脂のポリマー粒子の９０体積％以上を保持し、かつ９０体積％以上の固体粒子（Ｂ）の粒子を通過させるように選択された開口部を有するメッシュスクリーンである。
【００３８】
好ましくは、樹脂を硫酸及び固体粒子（Ｂ）から分離した後、樹脂を水で洗浄する。好ましい洗浄方法はクロマトグラフィー洗浄であり、樹脂をクロマトグラフィーカラムに入れ、水をカラムに通す。
【００３９】
好ましくは、反応プロセス中の固体粒子（Ｂ）の存在または非存在は、反応プロセスならびに反応停止処理及び洗浄後に測定される樹脂の最終特性に実質的に影響しない。例えば、保水性及びＨ型陽イオン交換容量は実質的に変化しないことが好ましい。保水性及びＨ型陽イオン交換容量は、それぞれＡＳＴＭ  Ｄ２１８７−９４、方法Ｂ及びＧによって測定される。
【００４０】
本発明はいかなる特定の理論にも限定されないが、樹脂中のカラースローは発色分子の存在によって引き起こされることが企図される。発色分子は樹脂から固体粒子（Ｂ）に移動することが企図される。
【００４１】
以下は、本発明の実施例である。
【００４２】
樹脂１は、スチレンとジビニルベンゼン（ＤＶＢ）とのコポリマーであり、標準的な技術を用いて懸濁重合によって作製された。ＤＶＢは、８５重量％純粋ＤＶＢ及び１５重量％不純物を含有する市販のＤＶＢ混合物の形態で提供されたものを用いた。主要な不純物はエチルビニルベンゼンである。樹脂１を製造するために使用したモノマーは、重量部で、８１．２部のスチレン、１６部のＤＶＢ、及び市販のＤＶＢ混合物により担持された２．８部の不純物であった。
【００４３】
硫酸は発煙硫酸の形態で、２０％発煙硫酸であった。
【００４４】
活性炭は、Ｃａｂｏｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＮＯＲＩＴ（商標）粉末活性炭であった。
【００４５】
実施例１：活性炭有り及び無し
【００４６】
各反応混合物中で、１０ｇの樹脂１を１５０ｍＬの発煙硫酸と混合した。以下に示すように反応混合物の一部に活性炭を添加した。反応混合物を１２５℃に加熱し、激しく撹拌しながら１２５℃で６時間保持した。得られた混合物を次に室温未満に冷却し、次いで撹拌を維持しながら希硫酸を添加し、続いて脱イオン水を添加した。次に樹脂をデカントし、次いで樹脂を５００ｍｌの水でクロマトグラフィー洗浄した。樹脂を５０ｍＬの脱イオン水と混合し、約２２℃で３０日間放置した。その後、５ｍＬの水を除去し、ＵＶ−ＶＩＳ分光光度計に入れた１ｃｍの光路長のキュベットに入れ、波長４２０ｎｍで吸光度を測定した。
【００４７】
結果は以下のとおりである。
【００４８】
【表１】
0006763871.tif 000003
【００４９】
活性炭の使用は、吸光度の低い数字で示されるように、樹脂のカラースローを有意に減少させた。活性炭の使用により、樹脂の保水性及び容量が大きく変化することはなかった。