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JP3978519B2 - 多官能性リビング(コ)ポリマーのラジカル重合の開始剤として使用可能なポリアルコキシアミンの製造方法 - Google Patents

多官能性リビング(コ)ポリマーのラジカル重合の開始剤として使用可能なポリアルコキシアミンの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、モノアルコキシアミンとポリ不飽和化合物とからポリアルコキシアミンを製造する方法に関するものである。このポリアルコキシアミンは多官能性リビング(コ)ポリマーのラジカル重合の開始剤として用いることができる。
制御下でのラジカル重合法の最近の進歩によってポリアルコキシアミンの重要性が明らかになっており、このことは下記文献に記載されている:
Accounts of Chemical Research, 1997, 30, p. 373-382
このポリアルコキシアミンはラジカル重合可能なオレフィンの存在下、熱作用下で重合を開始させ、重合を制御することができる。この制御機構は下記模式図で表すことができる:
Figure 0003978519
(ここで、Mは重合可能なオレフィンを表し、Pは成長する重合鎖を表す)
この制御の鍵は各定数Kdeact、kactおよびkpにある(下記文献参照)。
T. Fukuda、A. Goto, Macromolecules 1999, 32, p.618-623
すなわち、kdeact/kactの比が大きくなると重合が阻止され、kp/kdeactの比が大きくなるか、kdeact/kactの比が小さくなると重合は制御されない。
下記文献3、4には、β−置換したアルコキシアミンが多くのモノマーの重合の開始と制御ができるということ、一方、TEMPOの誘導アルコキシアミン、例えば(2',2',6',6'−テトラメチル−1'−ピペリジニルオキシ)メチルベンゼン(下記文献5参照)は工業的条件下ではスチレン誘導体の重合した制御しないということが記載されている。
P. Tordo et al., Polym. Prep. 1997, 38, p. 729-730、 C. J. Hawker et al., Polym. mater. Sci. Eng., 1999, 80, p. 90-91 "Macromolecules 1996, 29, p. 5245-5254"
下記特許文献には、ポリオキシアミンを用いることによって構造が良く規定されたポリマーおよびコポリマーが合成できるということが記載されている。
国際特許第WO00/71501号公報
n=2のジアルコキシアミンにはアルキルアクリレートおよび/またはスチレン誘導体のような互いに異なるモノマーからトリブロックコポリマーが合成でき、しかも、重合および多分散性が十分に制御でき、重合時間も極めて短い。すなわち、例えば下記の2つのモノマーM1、M2を順次重合できる:
Figure 0003978519
例としては、M1=アルキルアクリレート、M2=スチレンが挙げられる。
トリアルコキシアミン(n=3)の場合にはいわゆる「星型」ポリマーが得られる。
このポリアルコキシアミンは種々の方法で合成できる。その1つの方法は、下記文献に記載のような、ハロ誘導体A(X)nを用いた、CuX/配位子(X=ClまたはBr)のような有機金属系の存在下でのATRA(原子移動ラジカル付加:Atom Transfer Radical Addition)型反応である。
D. Greszta達、Macromolecules 1996, 29, 7661-7670
この形式の方法は本出願人の国際特許第WO00/71501号に開示されている。
他の方法はC,J.Hawkerの上記非特許文献1に記載のような、アルコール官能基等を有する官能性アルコキシアミンをポリ酸またはポリ(酸塩化物)と反応させる方法である。
この方法の欠点は、使用する反応物(ポリハロゲノ化合物、官能性アルコキシアミン)を複数のステップで合成しなければならず、煩雑な精製ステップを必要とする点にある。これらの合成中間体は新規化合物になる可能性があり、工業設備を新たに開発するか、既存設備の利用および/または改造にコストを必要とするためこの合成方法は工業規模での使用には適していない。
C,J.Hawkerの上記非特許文献1(Accounts of Chemical Research, 1997, 30, p. 373-382)にはスチレン性二重結合を有する官能性アルコキシアミンのオリゴマー化でポリアルコキシアミンを製造する方法が開示されている。しかし、ポリアルコキシアミンと出発材料のアルコキシアミンの熱安定性が均等であるためポリアルコキシアミン合成の制御が極めて困難であり、副生成物としてゲルが生じる。
そのため、多官能性リビングポリマーの製造に、単官能性リビングポリマーを多官能性ビニルベンゼンに付加することが試みられている(下記文献参照)。
P.Chaumont、Macromolecules (2001), 34(12), 4109-4113
しかし、この方法では架橋によってゲル化生成物が生じると記載されている。
本出願人は、入手が容易な反応物を用いることができ、精製段階が不要で、しかも、このポリアルコキシアミンの重合で使用する前にその場(in situ)で製造することができるポリアルコキシアミンの新規な製造方法を開発した。
本発明の対象は、一種または複数の化学式(I)のモノアルコキシアミン:
Figure 0003978519
(ここで、R1は1〜3個の炭素原子を含む直鎖または分岐鎖のアルキル基を表し、R2は水素原子、1〜8個の炭素原子を含む直鎖または分岐鎖のアルキル基、フェニル基、Li、Na、K等のアルカリ金属、NH4 +、NBu4 +、HNBu3 +等のアンモニウムイオンを表し、好ましくは、R1はCH3で、R2はHである)〕
を、少なくとも一種の化学式(II)のポリ不飽和化合物:
Figure 0003978519
〔ここで、Zはアリール基であるか、化学式:Z1−[X−C(O)]n(ここで、Z1はポリオール型の化合物等から誘導される多官能構造を表し、Xは酸素原子、炭素基を有する窒素原子または水素原子を表し、Xはさらに硫黄原子でもよく、nは2以上の整数)を表す〕
と、好ましくは窒素雰囲気下で、溶剤、好ましくはエタノール等のアルコール、芳香族溶剤、塩素化溶剤、エーテルまたは極性非プロトン溶媒の中から選択される溶剤の存在下または非存在下で、好ましくは0〜90℃の反応温度で、化学式(I)のモノアルコキシアミンと化学式(II)のポリ不飽和化合物とのモル比を1.5〜1.5n、好ましくはn〜1.25nにして反応させ、
必要な場合にはさらに、任意成分の溶剤を蒸発させる段階を有する、
ことを特徴とするポリアルコキシアミンの製造方法にある。
上記ポリ不飽和化合物は多官能性ビニルベンゼン(Z=アリール基)または多官能性アクリル誘導体(Z=Z1−[X−C(O)]n)の中から選択することができる。
上記のポリ不飽和化合物はジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、エチレングリコールジアクリレート、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、シクロヘキサンジメタノールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート(Sartomer社から商品名SR259、SR344、または、SR610で市販)、ヘキサンジオールアルコキシレートジアクリレート(Sartomer社から商品名CD561、CD564、または、CD560で市販)、ビスフェノールAジアクリレート、ビスフェノールAエトキシレートジアクリレート(Sartomer社から商品名SR349、SR601、SR602またはCD9038で市販)、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレート、トリス(2−)ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート、トリメチロールプロパンエトキシレートトリアクリレート(Sartomer社から商品名SR454、SR499、SR502、SR9035またはSR415で市販)、グリセリルプロポキシレートトリアクリレート(Sartomer社から商品名SR9020で市販)、トリメチロールプロパンプロポキシレートトリアクリレート(Sartomer社から商品名SR492、または、CD501で市販)、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリトリトールエトキシレートテトラアクリレート(Sartomer社から商品名SR494で市販)、ジペンタエリトリトールペンタアクリレート、カプロラクトン改質ジペンタエリトリトールヘキサアクリレート(Sartomer社から商品名Kayarad DCPA−20およびDCPA60で市販)、または、ジペンタエリトリトールペンタアクリレート(UCB Chemicals社から商品名DPHPAで市販)であるのが好ましい。
本発明のポリアルコキシアミン製造方法の特徴は室温で化学式(I)のアルコキシアミンから下記のラジカル:
Figure 0003978519
を発生させ、このラジカルをポリ不飽和化合物Z−(CH=CH2nに付加して新しいラジカルを生成させ、この新しいラジカルを反応媒体中に同時に生じる下記ニトロオキシド:
Figure 0003978519
と再結合させて、80℃まで安定であるという利点を有する下記の官能基を有するポリアルコキシアミンを得る点にある:
Figure 0003978519
(ここで、mはn以下の整数で、2以上である)
アルコキシアミン(I)と上記で生成したポリアルコキシアミンとは熱安定性に差があるので(II)の重合で生じるゲルの生成は避けることができる。
上記化合物がそのまま得られるか、蒸発(例えば減圧蒸発)して得られる。得られた化合物は質量分析および1H、13Cおよび31PのNMRで同定する。
本発明の他の対象は、上記方法を用いて予め調製したポリアルコキシアミンの存在下で、一種または複数のビニルモノマーをラジカル重合して多官能性リビング(コ)ポリマーを製造する方法にある。
本発明の重合方法を用いることによって単一のモノアルコキシアミン群を出発材料として制御された高分子構造を有する(コ)ポリマー〔線型、星型または超分岐型構造等を有するブロック(コ)ポリマー〕を製造することができる。
本発明方法は本出願人の下記特許文献に開示のマルチモードのリビングポリマーを作るアルコキシアミン混合物の製造にも適用できる。
欧州特許第1,142,913号公報
上記特許文献1(WO00/71501号公報)で本出願人はポリオキシアミンを用いることによって構造が良く規定されたポリマーおよびコポリマーが合成できるということを示した。n=2(ジアルコキシアミン)の場合には各ブロックがアルキルアクリレートおよび/またはスチレン誘導体のような互いに異なるモノマーからなるトリブロックコポリマーを極めて短い反応時間で重合でき、多分散性も十分に制御できる。すなわち、例えば下記の2つのモノマーM1、M2を順次重合できる:
Figure 0003978519
例としては、M1=アルキルアクリレート、M2=スチレンが挙げられる。
トリアルコキシアミン(n=3)の場合にはいわゆる「星型」ポリマーが得られる。
上記特許文献1(WO00/71501号公報)の(共)重合方法ではポリアルコキシアミンを用いた過剰なニトロオキシドの存在下でのラジカル重合で制御された高分子構造を有する(コ)ポリマーを製造している。一方、本発明が対象とする(共)重合方法では、一般に90℃以下の温度で得られる単一の化合物(I)から得られるポリアルコキシアミンが各種高分子構造を一般に90℃以上の温度で生じさせることができる。しかも、追加のニトロオキシドを導入せずに重合段階を制御することができる。
ポリアルコキシアミンは単独で用いるか、有機または無機の過酸化物、アゾ化合物および/または他のアルコキシアミンの中から選択される少なくとも一種の他の重合開始剤の存在下で用いて多モード分子量分布を有する生成物を得ることができる。
ポリアルコキシアミンは(共)重合前に製造するか、(共)重合と同時に製造することができる。
(共)重合方法は当業者に公知の一般的条件で塊重合、溶液重合(水溶液または有機溶液)、乳化重合、ミニエマルション重合または懸濁重合で実施できる。重合温度は一般に90℃以上である。
「ビニルモノマー」とはスチレンまたは置換されたスチレン、ブタジエンまたはイソプレン等のジエン、アクリル酸、アルキルまたはアルキルアクリレートまたはハロゲン化されるかあるいはシロキサン官能基を含んでいてもよい官能性アクリレート等のアクリルモノマー、メタクリル酸、アルキルまたはアリールメタクリレートまたはハロゲン化されるか、シロキサン官能基を含んでいてもよい官能性メタクリレート等のメタクリルモノマー、アクリロニトリル、アクリルアミドまたは置換されたアクリルアミド、例えばN,N−ジメチルアクリルアミド、4−アクリロイルモルホリン、メタクリルアミドまたは置換されたメタクリルアミド、ビニルピリジン、ビニルピロリジノン、塩化ビニル、ビニリデンジフルオリドまたは上記モノマーの少なくとも2種の混合物を意味する。
得られたポリマーはアルコキシアミン官能基を有する多官能性リビング(コ)ポリマーである。このポリマー自体には上記ビニルモノマーをラジカル重合で一回または複数回再度付けることで線型、星型または超分岐型構造等を有するブロックコポマーにすることができる。このコポリマーの特徴付けはをGPC(ゲル透過クロマトグラフィ)、LAC(液体吸着クロマトグラフィー)およびDMA(動的機械的分析)で行うことができる。
以下、本発明の実施例を説明する。
実施例1
1 =CH 3 、R 2 =Hのモノアルコキシアミンと1,4−ブタンジオールジアクリレートとからのポリアルコキシアミンの製造
1 =CH 3 、R 2 =Hである式(I)のモノアルコキシアミン(2−メチル−2−[N−(tert−ブチル)−N−(1−ジエトキシホスホリル−2,2−ジメチルプロピル)アミノキシ]−プロピオン酸)の合成
Figure 0003978519
窒素でパージした2 l容のガラス反応器に500mlの脱ガスしたトルエンと、35.9gのCuBr(250mmol)と、15.9gの銅粉末(250mmol)と、86.7gのN,N,N’, N’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)(500 mmol)とを導入し、攪拌しながら500mlの脱ガスしたトルエンと、42.1gの2−ブロモ−2−メチルプロピオン酸(250mmol)と、78.9gのSG1とよばれる84%の下記化学式のニトロオキシド(225mmol)との混合物を室温(20℃)で導入する:
Figure 0003978519
この混合物を攪拌下に室温で90分間反応させた後、反応媒体を濾過する。トルエン濾過液を1.5リットルのNH4Cl飽和水溶液で2回洗浄する。
得られた黄色がかった固形物をペンタンで洗浄すると51gの2−メチル−2−[N−(tert-ブチル)−N−(1−ジエトキシホスホリル−2,2−ジメチルプロピル)アミノキシ]−プロピオン酸が得られる(収率=60%)。
分析結果は以下の通り:
質量分析法で求めたモル質量:381.44/g.mol-1(C1736NO6P)
元素分析(実験式:C1736NO6P)
% 計算値:C=53.53、H=9.51、N=3.67
% 実験値:C=53.57、H=9.28、N=3.77
Buchi B−540装置での溶融点:124/125℃
Figure 0003978519
Figure 0003978519
ポリアルコキシアミンの製造
窒素でパージした100ml容の丸底フラスコ中に下記を入れる:
1) Aで調製した2g(2.1当量)のアルコキシアミン、
2) 純度90%のAldrichから市販の0.55gの1,4−ブタンジオールジアクリレート(1当量)、
3) 5.7mlのエタノール。
混合物を20時間加熱還流した後、エタノールを減圧蒸発させると2.5gの粘度の高い黄色の油が得られる。
31P NMR分析によって、メタクリル酸−SG1アルコキシアミン(27.4ppm)が完全に消え、ジアルコキシアミン(24.7〜25.1ppmで多重線)が生じたことがわかる。
電子スプレー型の質量分析から、質量は961(M+)である。
実施例2
線型MMA−BuA−MMAトリブロックコポリマーを溶剤中で製造する
1l容のジャケット付き反応器に、320g(2.5mol)のブチルアクリレートと、実施例1で調製した6.8g(7.1mmol)のポリアルコキシアミンとを導入する。窒素で数回脱ガスした後、反応媒体を115℃の温度に加熱し、加熱量を調節してこの温度を5時間維持する。反応中に試料を抜き出して、
1) 重量測定(固形分の測定)によって重合反応速度を決定し、
2) 分子量の変化を変換率の関数としてモニターする。
変換率が80%になったときに、反応媒体を60℃に冷却し、残留ブチルアクリレートを減圧蒸発させて除去する。
391g(3.7mmol)のメチルメタクリレートと、78gのトルエンとを60℃で添加する。続いて、反応媒体を95℃で2時間加熱する(変換率=50%)。60℃に戻して78gのトルエンで希釈した後、反応器からMMA−BuA−MMAコポリマーを抜き出し、残留モノマーと溶剤を減圧蒸発させて除去する。
MMA−BuA−MMAコポリマーをGPC(ゲル透過クロマトグラフィ)、LAC(液体吸着クロマトグラフィー)および溶剤勾配HPLCで分析した。この方法では上記実験条件下のモル質量に影響されずにポリマーを化学組成に従って分離できる。得られたポリマーの流動学的性質はDMA(動的機械的分析)試験によって表した。
GPC(ゲル透過クロマトグラフィ)による特徴付け
Figure 0003978519
モル質量はPMMA当量で表される。
LAC(液体吸着クロマトグラフィー)による特徴付け(図1参照)
[図1]に示したクロマトグラムは第1段階で合成されたPBuAポリマーと、最終的に得られたPMMA/PBuA/PMMAコポリマーと、PMMA標準品とのLACで得られたクロマトグラムを重ねたものである。初期PBuAに対応するピーク(約67mlの溶離体積)に対して最終的に得られたコポリマーのピークはPMMAを多く含む領域へ向かって大きく移動している(溶離体積=110ml)。これらの2つのピークの溶離体積の極めて大きな差はポリマー鎖の内部組成が変化したことを明らかに示しており、リビングPBuAポリマー鎖の連鎖反応が再開始してMMA単位が結合したことを証明している。
DMA(動的機械的分析)による特徴付け(図2参照)
PMMA/PBuA/PMMAコポリマーのDMAを変形付与粘弾性計(Ares)で行った。幾何形状が矩形ねじれを周波数1Hzで、−125℃〜200℃の温度範囲で用いた。板状試料は170℃で圧縮成形で作った。
得られた曲線は2つのタイプのブロックのガラス遷移温度の間にゴム状平坦区域を明確に示している。弾性率G’は得られたポリマーの平均化学組成を反映している。
Figure 0003978519
実施例3
直鎖MMA−BUA−MMAトリブロックコポリマーの分散媒体中での製造
このMMA−BuA−MMAトリブロックコポリマーは3段階で製造する:
下記を混合して有機溶液を調製する:
1) 148g(1.2mol)のブチルアクリレート、
2) 2.9g(3.0mmol)の実施例1で製造したポリアルコキシアミン、
3) 0.15gの重量平均分子量(Mw)が300,000のポリスチレン、
4) 1.33g(5.9mmol)のヘキサデカン。
また、下記を混合して水溶液を製造する:
1) 595gの水、
2) 3.33g(4.0mmol)の乳化剤(モノ−およびジ−ヘキサデシルジソジウムジフェニルオキシドジスルホネートの混合物)(Dow Chemical社から市販のDowfax8390、登録商標)、
3) 0.64g(7.6mmol)のNaHCO3
これらの2つの溶液を磁気攪拌機を用いて10分間混合した後、混合物を超強力な超音波プローブ(Branson 450型、パワー7)で10分間激しく攪拌して滴の大きさが約10nmのエマルションを得る。
次に、得られたエマルションを10分間窒素で脱ガスしたジャケット付きの1l容の反応器に導入する。反応媒体を120℃に加熱し、この温度を加熱量を調節して5時間維持する。反応中に試料を抜き出して、
1) 重量測定(固形分の測定)によって重合反応速度を求め、
2) 分子量の変化を変換率の関数としてモニターする。
変換率が70%になったときに反応媒体を周囲温度まで冷却し、この温度で78g(0.7mol)のメチルメタクリレートと、269gの水と、1.9g(2.3mmol)のDowfax8390乳化剤とを添加する。
反応媒体を100℃で6時間加熱し、周囲温度まで冷却する(変換率=70%)。次に、0.2g(0.7mmol)の過硫酸カリウムを8gの水を用いて調製した溶液を添加して痕跡量の残留モノマーを除去する。2時間、75℃に加熱した後、周囲温度へ戻し、反応器からラテックスを抜き出す。
得られたラテックスをCHDF(毛細管流体力学的分別)、GPC(ゲル透過クロマトグラフィ)、LAC(液体吸着クロマトグラフィー)およびDMA(動的機械的分析)で分析する。
実施例2のLACのクロマトグラム。 実施例2のDMA(動的機械的分析)の図。

Claims (10)

  1. 少なくとも一種の化学式(I)のモノアルコキシアミン:
    Figure 0003978519
    (ここで、R1は1〜3個の炭素原子を含む直鎖または分岐鎖のアルキル基を表し、R2は水素原子、1〜8個の炭素原子を含む直鎖または分岐鎖のアルキル基、フェニル基、アルカリ金属またはアンモニウムイオンを表す)を、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、エチレングリコールジアクリレート、1,3−ブタンジオールジアクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、シクロヘキサンジメタノールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ヘキサンジオールアルコキシレートジアクリレート、ビスフェノールAジアクリレート、ビスフェノールAエトキシレートジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレート、トリス(2−)ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート、トリメチロールプロパンエトキシレートトリアクリレート、グリセリルプロポキシレートトリアクリレート、トリメチロールプロパンプロポキシレートトリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ペンタエリトリトールエトキシレートテトラアクリレート、ジペンタエリトリトールペンタアクリレート、カプロラクトン改質ジペンタエリトリトールヘキサアクリレートおよびジペンタエリトリトールペンタアクリレートの中から選択される少なくとも一種ポリ不飽和化合物と、窒素雰囲気下で、溶剤の存在下または非存在下で、0〜90℃の反応温度で、化学式(I)のモノアルコキシアミンと上記ポリ不飽和化合物とのモル比を1.5〜1.5n(nは2以上の整数を表す)にして反応させ、
    溶剤を使用した場合には溶剤を蒸発させる段階を有する、ことを特徴とするポリアルコキシアミンの製造方法。
  2. 溶剤がアルコールである請求項1に記載の方法。
  3. 反応温度が25〜80℃である請求項1または2に記載の方法。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の方法を用いて予め製造したポリアルコキシアミンの存在下で、一種または複数のビニルモノマーをラジカル(共)重合する多官能性リビング(コ)ポリマーの製造方法。
  5. ポリアルコキシアミンを(共)重合前に製造する請求項に記載の多官能性リビング(コ)ポリマーの製造方法。
  6. ポリアルコキシアミンを(共)重合時に同時に製造する請求項に記載の多官能性リビング(コ)ポリマーの製造方法。
  7. 塊重合、水溶液または有機溶液中での溶液重合、乳化重合、ミニエマルション重合または懸濁重合で実施し、重合温度が90℃以上である請求項に記載の方法。
  8. ビニルモノマーが、スチレンまたは置換スチレン、ジエン、アクリル酸、アルキルアクリレートまたはアルキルアクリレート、ハロゲン化されるかシロキサン官能基を含んでいてもよい官能性アクリレート、メタクリル酸、アルキルメタクリレートまたはアルキルメタクリレート、ハロゲン化されるかシロキサン官能基を含んでいてもよい官能性メタクリレート、アクリロニトリル、アクリルアミドまたは置換されたアクリルアミド、4−アクリロイルモルホリン、メタクリルアミドまたは置換されたメタクリルアミド、ビニルピリジン、ビニルピロリジノン、塩化ビニル、ビニリデンジフルオリドまたは上記モノマーの少なくとも2種の混合物である請求項4〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 制御された高分子構造を有する多官能性リビング(コ)ポリマーを製造するための請求項4〜8のいずれか一項に記載の(共)重合方法。
  10. 有機過酸化物または無機過酸化物、アゾ化合物および/または上記以外のアルコキシアミンの中から選択される少なくとも一種の他の重合開始剤がさらに存在する下で行う請求項4〜9のいずれか一項に記載の(共)重合方法。
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