JP7510733B2 - Hollow particles and their manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、中空粒子及びその製造方法に関する。本願は、2022年3月30日に、日本に出願された特願2022-055547号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to hollow particles and a method for producing the same. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-055547, filed in Japan on March 30, 2022, the contents of which are incorporated herein by reference.
従来、内部に空間が形成された中空粒子が、様々な分野で利用されている。中空粒子は、樹脂で形成された外殻の中に気体が閉じ込められた粒子であるため、熱及び振動が伝達されにくい、光を拡散しやすい、軽量である等の性質を有する。これらの性質を利用して、断熱材、防音材、光拡散材、軽量化剤等の用途に利用されている。 Traditionally, hollow particles, which have an internal space, have been used in a variety of fields. Hollow particles are particles in which gas is trapped inside a shell made of resin, and as such have properties such as being less susceptible to the transmission of heat and vibration, being easy to diffuse light, and being lightweight. Taking advantage of these properties, hollow particles are used in applications such as insulation, soundproofing, light diffusing materials, and weight reducing agents.
特許文献1、2には、ウレタン又はウレア結合を有する有機ポリマーで形成されたシェル部を有する中空粒子の製造方法が記載されている。これらの中空粒子には、ウレタン系樹脂、尿素樹脂等の有機系樹脂材料に対する親和性が良く、有機系樹脂材料に添加して撹拌等の処理を経てもシェルのひび割れが生じにくく中空構造を安定に維持することが期待される。また、環境や人体に対する影響が少ないとされている。 Patent Documents 1 and 2 describe methods for producing hollow particles having a shell formed of an organic polymer having a urethane or urea bond. These hollow particles have good affinity with organic resin materials such as urethane resins and urea resins, and are expected to stably maintain the hollow structure without cracking the shell even when added to an organic resin material and subjected to processing such as stirring. They are also said to have little impact on the environment and the human body.
しかしながら、特許文献1に記載の中空粒子の製造において、シェル部の原料であるイソシアネート化合物として親油性のポリメリックMDIを用いている。中空粒子の形成には水中での懸濁重合が必要であるため、イソシアネートを乳化するためにアクリル系高分子型界面活性剤が大量に添加される。これらの原料由来の色によって中空粒子が着色してしまい、化粧料や光拡散材等の用途への展開が難しくなる懸念がある。However, in the production of hollow particles described in Patent Document 1, lipophilic polymeric MDI is used as the isocyanate compound, which is the raw material for the shell. Since suspension polymerization in water is required to form hollow particles, a large amount of an acrylic polymer surfactant is added to emulsify the isocyanate. There is a concern that the hollow particles will be colored by the colors derived from these raw materials, making it difficult to develop applications such as cosmetics and light diffusing materials.
また、特許文献2に記載の中空粒子の製造において、油相中のイソシアネートを油水界面に移動させ、中空構造の形成を促進させるために、沸点が150℃以上の化合物(具体的には沸点175℃のリモネン)を反応液に配合している。この高沸点化合物は、反応液中で形成された中空粒子の中空部に内包されているので、目的の中空粒子を得るために、200℃程度に加熱して中空部から除去する必要がある。しかしながら、このような高温加熱処理は、シェル部を構成するウレタン樹脂の劣化を引き起こす懸念がある。樹脂性能が劣化してしまうと、各種用途の材料に配合された際の分散性や中空構造の耐久性が悪化する恐れがある。In addition, in the production of hollow particles described in Patent Document 2, a compound with a boiling point of 150°C or higher (specifically, limonene with a boiling point of 175°C) is blended into the reaction liquid in order to move the isocyanate in the oil phase to the oil-water interface and promote the formation of a hollow structure. This high-boiling compound is encapsulated in the hollow portion of the hollow particles formed in the reaction liquid, so in order to obtain the desired hollow particles, it is necessary to remove it from the hollow portion by heating to about 200°C. However, there is a concern that such high-temperature heating treatment will cause deterioration of the urethane resin that constitutes the shell portion. If the resin performance deteriorates, there is a risk that the dispersibility and durability of the hollow structure will deteriorate when it is blended into materials for various applications.
本発明は、イソシアネートの自己乳化性を活かして容易に中空構造を形成することが可能な中空粒子の製造方法と、自己乳化型イソシアネートを原料とする中空粒子を提供する。 The present invention provides a method for producing hollow particles that can easily form hollow structures by utilizing the self-emulsifying properties of isocyanate, and hollow particles made from self-emulsifying isocyanate as a raw material.
[1] ウレタン結合及びウレア結合のうち少なくともウレア結合を有するポリマーによって形成された外殻部と、前記外殻部に内包された中空部を備えた中空粒子であり、前記ポリマーは、イソシアネート成分と、水及びポリオールのうち少なくとも水との反応生成物であり、前記イソシアネート成分は、自己乳化型イソシアネート及び非自己乳化型イソシアネートのうち、少なくとも自己乳化型イソシアネートを含む、中空粒子。
[2] 前記自己乳化型イソシアネートは、脂肪族ジイソシアネート及び脂環族ジイソシアネートの少なくとも一方から形成された、3つ以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、前記ポリイソシアネートは、分子中に、ビュウレット構造、イソシアヌレート構造、又はアダクト構造を備え、親水基をさらに有する、[1]に記載の中空粒子。
[3] 前記イソシアネート成分の総質量のうち、前記自己乳化型イソシアネートの割合は、10~100質量%である、[1]又は[2]に記載の中空粒子。
[4] 平均粒子径が0.1~300μmである、[1]~[3]のいずれか一項に記載の中空粒子。
[5] [1]~[4]のいずれか一項に記載の中空粒子を製造する方法であって、前記イソシアネート成分と、水と、有機溶剤とを含む混合液を攪拌しながら加熱し、前記イソシアネート成分を懸濁重合して前記外殻部を形成することにより、前記外殻部に内包された前記水及び前記有機溶剤を有する樹脂粒子を含むスラリーを得る工程と、前記スラリーを加熱し、前記樹脂粒子から前記有機溶剤を除去する工程を有する、中空粒子の製造方法(但し、前記混合液の総質量から水を除いた基準質量に対して、キシレンを30質量%以上含む場合と、水酸基価20mgKOH未満のポリオールを1質量%以上含む場合を除く)。
[6] 前記混合液に含まれる前記有機溶剤の質量(M1)と、前記混合液に含まれる前記イソシアネート成分の総質量(M2)との比(M2/M1)が、0.6~4.0である、[5]に記載の中空粒子の製造方法。
[7] 前記スラリーを加熱する温度が100℃以下である、[5]又は[6]に記載の中空粒子の製造方法。
[8] 前記有機溶剤が、トルエン、メチルエチルケトン、又は酢酸エチルである、[5]~[7]のいずれか一項に記載の中空粒子の製造方法。
[9] 前記混合液に含まれる前記有機溶剤の質量(M1)と、前記混合液に含まれる前記水の質量(M3)との比(M3/M1)が、2.0~6.0である、[5]~[8]のいずれか一項に記載の中空粒子の製造方法。
[10] 前記混合液に含まれる前記イソシアネート成分は、前記非自己乳化型イソシアネートを含み、前記混合液に含まれる前記非自己乳化型イソシアネートの質量(M4)と、前記混合液に含まれる前記自己乳化型イソシアネートの質量(M5)との比(M5/M4)が、1.0~10.0である、[5]~[9]のいずれか一項に記載の中空粒子の製造方法。
[1] A hollow particle having an outer shell formed of a polymer having at least a urea bond among urethane bonds and urea bonds, and a hollow portion encapsulated in the outer shell, the polymer being a reaction product of an isocyanate component and at least water among water and a polyol, and the isocyanate component including at least a self-emulsifying isocyanate among a self-emulsifying isocyanate and a non-self-emulsifying isocyanate.
[2] The hollow particle according to [1], wherein the self-emulsifying isocyanate is a polyisocyanate having three or more isocyanate groups formed from at least one of an aliphatic diisocyanate and an alicyclic diisocyanate, and the polyisocyanate has a biuret structure, an isocyanurate structure, or an adduct structure in a molecule and further has a hydrophilic group.
[3] The hollow particle according to [1] or [2], wherein the proportion of the self-emulsifying isocyanate in the total mass of the isocyanate component is 10 to 100 mass%.
[4] The hollow particles according to any one of [1] to [3], having an average particle size of 0.1 to 300 μm.
[5] A method for producing the hollow particles according to any one of [1] to [4], comprising the steps of: heating a mixed liquid containing the isocyanate component, water, and an organic solvent while stirring, and suspension polymerizing the isocyanate component to form the outer shell portion, thereby obtaining a slurry containing resin particles having the water and the organic solvent encapsulated in the outer shell portion; and heating the slurry to remove the organic solvent from the resin particles (excluding the case where the mixed liquid contains 30% by mass or more of xylene and 1% by mass or more of a polyol having a hydroxyl value of less than 20 mg KOH, based on a reference mass obtained by excluding water from a total mass of the mixed liquid).
[6] The method for producing hollow particles according to [5], wherein a ratio (M2/M1) of a mass (M1) of the organic solvent contained in the mixed solution to a total mass (M2) of the isocyanate component contained in the mixed solution is 0.6 to 4.0.
[7] The method for producing hollow particles according to [5] or [6], wherein the temperature to which the slurry is heated is 100° C. or less.
[8] The method for producing hollow particles according to any one of [5] to [7], wherein the organic solvent is toluene, methyl ethyl ketone, or ethyl acetate.
[9] The method for producing hollow particles according to any one of [5] to [8], wherein a ratio (M3/M1) of a mass (M1) of the organic solvent contained in the mixed solution to a mass (M3) of the water contained in the mixed solution is 2.0 to 6.0.
[10] The method for producing hollow particles according to any one of [5] to [9], wherein the isocyanate component contained in the mixed solution contains the non-self-emulsifying isocyanate, and a ratio (M5/M4) of a mass (M4) of the non-self-emulsifying isocyanate contained in the mixed solution to a mass (M5) of the self-emulsifying isocyanate contained in the mixed solution is 1.0 to 10.0.
本発明の中空粒子の製造方法によれば、自己乳化型イソシアネートを用いているので反応液中にイソシアネートを乳化するために大量の界面活性剤を添加する必要がないだけでなく、容易に中空粒子を形成することができる。また、反応液中で形成した中空粒子の中空部に内包された有機溶剤として、高沸点化合物を使用する必要もないので、高温で加熱乾燥せずとも中空粒子に内包された有機溶剤を容易に除去することができ、目的の中空粒子の高温加熱による劣化の懸念がない。さらに、着色を引き起こす原料を使用する必要もないので、中空粒子を脱色する工程も不要になる。
本発明の中空粒子にあっては、原料がシンプルであるため、外殻部を構成するウレタン結合またはウレア結合を有するポリマーの本来の特性が充分に発揮される。この結果、各種用途の材料に配合された際の分散性や中空構造の耐久性が良好となる。
According to the method for producing hollow particles of the present invention, since a self-emulsifying isocyanate is used, not only is it not necessary to add a large amount of surfactant to emulsify the isocyanate in the reaction solution, but hollow particles can also be easily formed. In addition, since there is no need to use a high-boiling point compound as the organic solvent contained in the hollow portion of the hollow particles formed in the reaction solution, the organic solvent contained in the hollow particles can be easily removed without drying by heating at a high temperature, and there is no concern about deterioration of the target hollow particles due to high temperature heating. Furthermore, since there is no need to use a raw material that causes coloring, a process for decolorizing the hollow particles is also not required.
In the hollow particles of the present invention, the raw materials are simple, so that the inherent properties of the polymer having urethane bonds or urea bonds that constitutes the outer shell are fully exhibited, resulting in good dispersibility when blended with materials for various applications and good durability of the hollow structure.
本明細書における「水酸基価」は、試料中の水酸基をアセチル化して、そのアセチル化に使用した酢酸を中和するのに必要な水酸化カリウムの量を、前記試料1.0gに対するmg数で表したものである。つまり、水酸基価は試料中の水酸基の含有量を示す尺度となる。水酸基価は、JIS K 0070:1992に規定されている中和滴定法を用いて測定される。
本発明における「平均粒子径」は、レーザー回折式粒度分布計(例えば、島津製作所製SALD2100)を用いて測定した体積基準の平均粒子径(体積平均粒子径)のことである。
以下、本発明の好適な実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態だけに限定されるものではない。
In this specification, the "hydroxyl value" refers to the amount of potassium hydroxide required to acetylate the hydroxyl groups in a sample and neutralize the acetic acid used for the acetylation, expressed in mg per 1.0 g of the sample. In other words, the hydroxyl value is a measure of the content of hydroxyl groups in a sample. The hydroxyl value is measured using the neutralization titration method specified in JIS K 0070:1992.
The "average particle size" in the present invention refers to a volume-based average particle size (volume average particle size) measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (for example, SALD2100 manufactured by Shimadzu Corporation).
Preferred embodiments of the present invention will be described below, however, the present invention is not limited to the following embodiments.
≪中空粒子≫
本発明の第一態様は、ウレタン結合及びウレア結合のうち少なくともウレア結合を有するポリマーによって形成された外殻部と、前記外殻部に内包された中空部を備えた中空粒子である。中空部には空気等の気体が含まれており、通常の乾燥した状態であれば水分等の液体は実質的に含まれない。中空粒子の全体が視野に入る倍率で中空粒子を電子顕微鏡で観察すると、外殻部の表面は基本的には滑らかであり、外殻部を貫通して中空部と外部とを連通する貫通孔や多孔質構造は存在しない。中空粒子の中空部は単一の空間であることが多いが、数個に分かれた空間であってもよい。これらの構造を有する中空粒子は多孔質粒子とは完全に区別される。
<Hollow particles>
The first aspect of the present invention is a hollow particle having a shell formed by a polymer having at least a urea bond among urethane bonds and urea bonds, and a hollow portion enclosed in the shell. The hollow portion contains gas such as air, and does not substantially contain liquid such as water under normal dry conditions. When the hollow particle is observed under an electron microscope at a magnification that covers the entire hollow particle, the surface of the shell is basically smooth, and there is no through hole or porous structure that penetrates the shell and connects the hollow portion to the outside. The hollow portion of the hollow particle is often a single space, but may be divided into several spaces. Hollow particles having these structures are completely distinguished from porous particles.
前記ポリマーは、イソシアネート成分と、水及びポリオールのうち少なくとも水との反応生成物である。通常、水とイソシアネートが反応するとウレア結合が形成され、ポリオールとイソシアネートが反応するとウレタン結合が形成される。
本明細書において、ポリウレタン結合またはポリウレア結合を有するポリマーをポリウレタンポリウレアと総称することがある。
前記イソシアネート成分は、自己乳化型イソシアネート及び非自己乳化型イソシアネートのうち、少なくとも自己乳化型イソシアネートを含む。
The polymer is a reaction product of an isocyanate component with at least water among water and polyols. Typically, the reaction of water with an isocyanate forms a urea bond, and the reaction of a polyol with an isocyanate forms a urethane bond.
In this specification, polymers having polyurethane bonds or polyurea bonds may be generally referred to as polyurethane polyureas.
The isocyanate component includes at least a self-emulsifying isocyanate out of a self-emulsifying isocyanate and a non-self-emulsifying isocyanate.
<イソシアネート成分>
[自己乳化型イソシアネート]
自己乳化型イソシアネートは、水中に添加し、攪拌した際に、水中で微粒子として分散することが可能なイソシアネート化合物である。一つの実施形態として、自己乳化型イソシアネート1gを20℃のイオン交換水100gに添加し、穏やかに攪拌すると、沈降して油溜まり若しくは油滴を形成せず、水中で分散された状態となるイソシアネート化合物が挙げられる。
具体的には、脂肪族ジイソシアネート及び脂環族ジイソシアネートの少なくとも一方から形成され、分子内にビュウレット、イソシアヌレート、アダクトよりなる群からなるいずれか1つの構造を有するポリイソシアネートポリマーに、親水基(例えば、ヒドロキシ基、オキシアルキレン基、カルボキシ基等)が導入された化合物であることが好ましい。ここで、イソシアネート基は親水基に該当しないものとする。また、自己乳化イソシアネートが水酸基を複数有する場合にも、後述のポリオールに該当しないものとする。
<Isocyanate component>
[Self-emulsifying isocyanate]
The self-emulsifying isocyanate is an isocyanate compound that can be dispersed as fine particles in water when added to water and stirred. In one embodiment, when 1 g of the self-emulsifying isocyanate is added to 100 g of ion-exchanged water at 20° C. and gently stirred, the isocyanate compound does not settle to form oil puddles or oil droplets, but is dispersed in water.
Specifically, it is preferable that the compound is a polyisocyanate polymer formed from at least one of an aliphatic diisocyanate and an alicyclic diisocyanate, and has one of the structures of biuret, isocyanurate, and adduct in the molecule, to which a hydrophilic group (e.g., a hydroxy group, an oxyalkylene group, a carboxy group, etc.) is introduced. Here, the isocyanate group is not considered to be a hydrophilic group. In addition, even if the self-emulsifying isocyanate has multiple hydroxyl groups, it is not considered to be a polyol described below.
上記構造のうちビュウレット構造、イソシアヌレート構造は、ジイソシアネート(分子内に2つのイソシアネート基を有するイソシアネート)が3量体となることによって形成される。イソシアヌレート構造を有する3量体を「ヌレート体」と呼ぶことがある。また、アダクト構造は、例えば、ジイソシアネートと、分子内に3つ以上の活性水素基を有する化合物(例えば、ポリオール、ポリアミン、ポリチオール)とが付加することによって形成される。Of the above structures, the biuret structure and isocyanurate structure are formed by trimerization of diisocyanates (isocyanates having two isocyanate groups in the molecule). Trimers having an isocyanurate structure are sometimes called "nurate bodies." Adduct structures are formed, for example, by addition of diisocyanates to compounds having three or more active hydrogen groups in the molecule (e.g., polyols, polyamines, polythiols).
自己乳化型イソシアネートとしては特に制限なく、公知のものを使用することができる。自己乳化型イソシアネートの具体例としては、バーノック DNW-5500,DNW-6000(DIC株式会社)、Basonat HW1000,HW180PC,LR9056,LR9080(BASF)、タケネート WD-720,WD-725,WD-730,WB-700,WB-820,WB-920(三井化学株式会社)、デュラネート WB40-100,WB40-80D,WT20-100,WT30-100,WE50-100(旭化成ケミカルズ株式会社)、バイヒジュール 3100,304,305,XP2451/1,XP2487/1、XP2547,XP2655,XP2700,DN,DA-L,401-70(住化バイエルウレタン株式会社)等が挙げられる。
自己乳化型イソシアネートは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The self-emulsifying isocyanate is not particularly limited, and known isocyanates can be used. Specific examples of the self-emulsifying isocyanate include Burnock DNW-5500 and DNW-6000 (DIC Corporation), Basonat HW1000, HW180PC, LR9056, and LR9080 (BASF), Takenate WD-720, WD-725, WD-730, WB-700, WB-820, and WB-920 (Mitsui Chemicals, Inc.), Duranate WB40-100, WB40-80D, WT20-100, WT30-100, and WE50-100 (Asahi Kasei Chemicals Corporation), and Bayhydur. 3100, 304, 305, XP2451/1, XP2487/1, XP2547, XP2655, XP2700, DN, DA-L, 401-70 (Sumika Bayer Urethane Co., Ltd.), and the like.
The self-emulsifying isocyanates may be used alone or in combination of two or more kinds.
[非自己乳化型イソシアネート]
イソシアネート成分には、自己乳化型イソシアネート以外のイソシアネート、すなわち非自己乳化型イソシアネートが含まれていてもよい。非自己乳化型イソシアネートを含むと、中空粒子の平均粒子径が大きくなる傾向がある。
非自己乳化型イソシアネートは、自己乳化型ではないイソシアネートである。第一実施形態として、水中に添加し、攪拌した際に、水中で微粒子として分散することが実質的に不可能なイソシアネート化合物が挙げられる。第二実施形態として、非自己乳化型イソシアネート1gを20℃のイオン交換水100gに添加し、穏やかに攪拌すると、数秒~数分のうちに、沈降して油溜まり若しくは油滴を形成するイソシアネート化合物が挙げられる。
非自己乳化型イソシアネートはイソシアネート基を2つ以上有する多官能イソシアネートであることが好ましい。
非自己乳化型イソシアネートとしては特に制限なく、公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、脂肪族イソシアネート、芳香族イソシアネート、これらのイソシアネートモノマーから形成された変性ポリイソシアネート等が挙げられる。
[Non-self-emulsifying isocyanate]
The isocyanate component may contain an isocyanate other than the self-emulsifying isocyanate, i.e., a non-self-emulsifying isocyanate. When a non-self-emulsifying isocyanate is contained, the average particle size of the hollow particles tends to be large.
The non-self-emulsifying isocyanate is an isocyanate that is not self-emulsifying. As a first embodiment, there is an isocyanate compound that is substantially unable to disperse as fine particles in water when added to water and stirred. As a second embodiment, there is an isocyanate compound that, when 1 g of the non-self-emulsifying isocyanate is added to 100 g of ion-exchanged water at 20° C. and gently stirred, settles and forms oil pools or oil droplets within a few seconds to a few minutes.
The non-self-emulsifying isocyanate is preferably a polyfunctional isocyanate having two or more isocyanate groups.
The non-self-emulsifying isocyanate is not particularly limited, and any known isocyanate can be used. Specific examples include aliphatic isocyanates, aromatic isocyanates, and modified polyisocyanates formed from these isocyanate monomers.
脂肪族イソシアネートとしては、ヘキサメチレンジイソシアネート、2,4-ジイソシアネート-1-1-メチルシクロヘキサン、ジイソシアネートシクロブタン、テトラメチレンジイソシアネート、o-、m-若しくはp-キシリレンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、ジメチルジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネート、ドデカンジイソシアネート、テトラメチルキシレンジイソシアネート又はイソホロンジイソシアネート等が挙げられる。Aliphatic isocyanates include hexamethylene diisocyanate, 2,4-diisocyanate-1-1-methylcyclohexane, diisocyanate cyclobutane, tetramethylene diisocyanate, o-, m- or p-xylylene diisocyanate, hydrogenated xylylene diisocyanate, dicyclohexylmethane diisocyanate, dimethyldicyclohexylmethane diisocyanate, lysine diisocyanate, cyclohexane diisocyanate, dodecane diisocyanate, tetramethylxylene diisocyanate or isophorone diisocyanate.
芳香族イソシアネートとしては、トリレン-2,4-ジイソシアネート、トリレン-2,6-ジイソシアネート、ジフェニルメタン-4、4’-ジイソシアネート、3-メチルジフェニルメタン-4,4’-ジイソシアネート、m-若しくはp-フェニレンジイソシアネート、クロロフェニレン-2,4-ジイソシアネート、ナフタリン-1、5-ジイソシアネート、ジフェニルー4,4’-ジイソシアネート、3、3’-ジメチルジフェニル-1,3,5-トリイソプロピルベンゼン-2,4-ジイソシアネートカーボジイミド変性ジフェニルメタジイソシアネート、ポリフェニルポリメチレンイソシアネート又はジフェニルエーテルジイソシアネート等のイソシアネートモノマー類が挙げられる。Examples of aromatic isocyanates include isocyanate monomers such as tolylene-2,4-diisocyanate, tolylene-2,6-diisocyanate, diphenylmethane-4,4'-diisocyanate, 3-methyldiphenylmethane-4,4'-diisocyanate, m- or p-phenylene diisocyanate, chlorophenylene-2,4-diisocyanate, naphthalene-1,5-diisocyanate, diphenyl-4,4'-diisocyanate, 3,3'-dimethyldiphenyl-1,3,5-triisopropylbenzene-2,4-diisocyanate carbodiimide-modified diphenylmetha diisocyanate, polyphenylpolymethylene isocyanate, and diphenyl ether diisocyanate.
変性ポリイソシアネートとしては、例えば、過剰のイソシアネートモノマーの1種単独若しくは2種以上を、各種の多価アルコール等のポリヒドロキシ化合物と反応させて得られるポリウレタンポリイソシアネート、イソシアネートモノマーを重合させることによって得られる、イソシアヌレート環を含んだポリイソシアネート、イソシアネートモノマーと水と反応させて得られる、ビュレット結合を含んだポリイソシアネート等が挙げられる。Examples of modified polyisocyanates include polyurethane polyisocyanates obtained by reacting one or more types of excess isocyanate monomers with polyhydroxy compounds such as various polyhydric alcohols, polyisocyanates containing isocyanurate rings obtained by polymerizing isocyanate monomers, and polyisocyanates containing biuret bonds obtained by reacting isocyanate monomers with water.
イソシアネート成分の総質量のうち、自己乳化型イソシアネートの割合は、10~100質量%が好ましく、20~80質量%がより好ましく、30~60質量%がさらに好ましい。上記範囲の下限値以上であると単一空間の中空構造の形成が容易になる。上記範囲の上限値100質量%未満であると、中空粒子の平均粒子径を大きくすることができる。Of the total mass of the isocyanate component, the proportion of self-emulsifying isocyanate is preferably 10 to 100% by mass, more preferably 20 to 80% by mass, and even more preferably 30 to 60% by mass. If it is equal to or greater than the lower limit of the above range, it becomes easier to form a single-space hollow structure. If it is less than the upper limit of the above range, 100% by mass, the average particle size of the hollow particles can be increased.
<ポリオール>
ポリオールとしては、例えば、ポリエチレングリコール(質量平均分子量Mw300~2000が好ましい)、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリブタジエンポリオール、アクリルポリオール、ポリカプロラクトンポリオール等が挙げられる。
ポリオールは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。ポリオールの水酸基価は例えば20~2000mgKOH/gが好ましい。
<Polyol>
Examples of polyols include polyethylene glycol (preferably having a mass average molecular weight Mw of 300 to 2000), polyester polyols, polyether polyols, polycarbonate polyols, polybutadiene polyols, acrylic polyols, and polycaprolactone polyols.
The polyol may be used alone or in combination of two or more kinds. The hydroxyl value of the polyol is preferably, for example, 20 to 2000 mgKOH/g.
イソシアネート成分とポリオールとが反応してウレタン結合が形成されると、外殻部を構成するポリマーがウレタン結合を含むことにより、中空粒子に柔軟性、弾力性を付与することができる。When the isocyanate component reacts with the polyol to form a urethane bond, the polymer that makes up the outer shell contains a urethane bond, which gives the hollow particles flexibility and elasticity.
<平均粒子径>
本態様の中空粒子の平均粒子径(体積平均粒子径)は、例えば、0.1μm~300μm、1.0μm~200μm、3.0μm~100μm、5.0μm~50μm、8.0μm~30μmの範囲とすることができる。中空粒子の用途に応じて適宜選択される。
<Average particle size>
The average particle size (volume average particle size) of the hollow particles of this embodiment can be, for example, in the range of 0.1 μm to 300 μm, 1.0 μm to 200 μm, 3.0 μm to 100 μm, 5.0 μm to 50 μm, or 8.0 μm to 30 μm. This is appropriately selected depending on the application of the hollow particles.
《中空粒子の製造方法》
本発明の第二態様は、イソシアネート成分と、水と、有機溶剤とを含む混合液(反応液)を撹拌しながら加熱し、前記イソシアネート成分を懸濁重合して前記外殻部を形成することにより、前記外殻部に内包された前記水及び前記有機溶剤を有する樹脂粒子を含むスラリーを得る工程(重合工程)と、前記スラリーを加熱し、前記樹脂粒子から前記有機溶剤を除去する工程(有機溶剤除去工程)を有する、中空粒子の製造方法である。
但し、前記反応液の総質量から水を除いた基準質量に対して、キシレンを30質量%以上含む場合と、水酸基価20mgKOH未満のポリオールを1質量%以上含む場合を除く。
換言すると、前記基準質量に対して、キシレンが30質量%以上含まれる反応液は、本態様の反応液として用いない。また、前記基準質量に対して、水酸基価20mgKOH未満のポリオールが1質量%以上含まれる反応液は、本態様の反応液として用いない。
本態様の製造方法により、第一態様の中空粒子を容易に製造することができる。
<<Method for producing hollow particles>>
A second aspect of the present invention is a method for producing hollow particles, comprising a step of heating, with stirring, a mixed liquid (reaction liquid) containing an isocyanate component, water, and an organic solvent, and suspension polymerizing the isocyanate component to form the outer shell portion, thereby obtaining a slurry containing resin particles having the water and the organic solvent encapsulated in the outer shell portion (polymerization step), and a step of heating the slurry and removing the organic solvent from the resin particles (organic solvent removal step).
However, this does not include cases where the reaction liquid contains 30% by mass or more of xylene, or 1% by mass or more of a polyol having a hydroxyl value of less than 20 mg KOH, based on the total mass of the reaction liquid excluding water.
In other words, a reaction liquid containing 30% by mass or more of xylene relative to the reference mass is not used as the reaction liquid of this embodiment.Furthermore, a reaction liquid containing 1% by mass or more of a polyol having a hydroxyl value of less than 20 mg KOH relative to the reference mass is not used as the reaction liquid of this embodiment.
According to the production method of this embodiment, the hollow particles of the first embodiment can be easily produced.
前記反応液に水酸基価20mgKOH未満のポリオールが含まれると、中空化が困難になる場合がある。このため、前記反応液の総質量から水を除いた基準質量に対して、水酸基価が20mgKOH未満のポリオールの含有量は少ないほど好ましく、1質量%未満が好ましく、0.1質量%未満がより好ましく、実質的に含まれないことが最も好ましい。If the reaction liquid contains a polyol with a hydroxyl value of less than 20 mg KOH, hollowing may be difficult. For this reason, the content of polyol with a hydroxyl value of less than 20 mg KOH is preferably as small as possible, more preferably less than 1% by mass, more preferably less than 0.1% by mass, and most preferably substantially absent, relative to the total mass of the reaction liquid excluding water.
<重合工程>
本工程で用いるイソシアネート成分の説明は第一態様のイソシアネート成分の説明と同様であり、ここで重複する説明は省略する。
<Polymerization step>
The explanation of the isocyanate component used in this step is the same as that of the isocyanate component in the first embodiment, and therefore the overlapping explanation will be omitted here.
前記有機溶剤は、中空粒子の中空構造の形成に寄与するとともに、反応液中で中空粒子が形成された直後では、外殻部に内包されている。つまり、目的の中空粒子の中空部内に水及び有機溶剤が含まれた状態の粒子(目的の中空粒子と区別して樹脂粒子という。)が形成される。この有機溶剤を後段の工程で樹脂粒子から除去することを容易にする観点から、有機溶剤の1.0気圧における沸点は150℃未満が好ましく、130℃以下が好ましく、115℃以下がさらに好ましい。また、水と任意の割合で混合されたときに100℃以下の共沸点が存在する有機溶剤が好ましい。The organic solvent contributes to the formation of the hollow structure of the hollow particles, and is encapsulated in the outer shell immediately after the hollow particles are formed in the reaction solution. In other words, particles (called resin particles to be distinguished from the target hollow particles) are formed in which water and the organic solvent are contained in the hollow parts of the target hollow particles. From the viewpoint of facilitating the removal of this organic solvent from the resin particles in a later step, the boiling point of the organic solvent at 1.0 atmospheric pressure is preferably less than 150°C, more preferably 130°C or less, and even more preferably 115°C or less. In addition, organic solvents that have an azeotropic point of 100°C or less when mixed with water in any ratio are preferred.
水と任意の割合で混合されたときに100℃以下で共沸し難い若しくは共沸しない有機溶剤(非共沸有機溶剤)や、高沸点有機溶剤(例えば1気圧における沸点が115℃超、130℃超又は150℃以上)の、前記反応液に含まれる量は少ないほど好ましい。前記反応液の総質量から水の質量を除いた基準質量に対して、非共沸有機溶剤または高沸点有機溶剤の含有量は30質量%未満が好ましく、5質量%未満がより好ましく、1質量%未満がさらに好ましく、実質的に含まれないことが最も好ましい。例えば、前記基準質量に対するキシレンの含有量は30質量%未満が好ましく、5質量%未満がより好ましく、1質量%未満がさらに好ましく、実質的に含まれないことが最も好ましい。The smaller the amount of organic solvents (non-azeotropic organic solvents) that are difficult to form an azeotrope at 100°C or less when mixed with water in any ratio, or high-boiling organic solvents (for example, those with a boiling point at 1 atmospheric pressure of more than 115°C, more than 130°C, or more than 150°C), contained in the reaction liquid, the better. The content of non-azeotropic organic solvents or high-boiling organic solvents is preferably less than 30% by mass, more preferably less than 5% by mass, even more preferably less than 1% by mass, and most preferably substantially absent, based on a reference mass obtained by subtracting the mass of water from the total mass of the reaction liquid. For example, the content of xylene based on the reference mass is preferably less than 30% by mass, more preferably less than 5% by mass, even more preferably less than 1% by mass, and most preferably substantially absent.
好適な有機溶剤としては、例えば、芳香族化合物(例えば、トルエン、ベンゼン等)、エステル化合物(例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等)、ケトン化合物(例えば、アセトン、メチルエチルケトン等)、飽和脂肪族炭化水素(例えば、n-ヘプタン、n-ヘキサン、n-オクタン等)などが挙げられる。これらの中でも、上記観点から、トルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチルが特に好ましい。
本工程の有機溶剤は、ポリオール以外の有機溶剤であることが好ましい。
本工程の有機溶剤は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上の併用でもよい。
Suitable organic solvents include, for example, aromatic compounds (e.g., toluene, benzene, etc.), ester compounds (e.g., methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, etc.), ketone compounds (e.g., acetone, methyl ethyl ketone, etc.), saturated aliphatic hydrocarbons (e.g., n-heptane, n-hexane, n-octane, etc.), etc. Among these, from the above viewpoint, toluene, methyl ethyl ketone, and ethyl acetate are particularly preferred.
The organic solvent in this step is preferably an organic solvent other than polyol.
The organic solvent in this step may be used alone or in combination of two or more kinds.
前記反応液の総質量から水の質量を除いた基準質量に対する有機溶剤の合計の含有量は、20~50質量%が好ましく、25~45質量%がより好ましく、30~40質量%がさらに好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、後段の工程で樹脂粒子から有機溶剤を容易に除去することができる。
The total content of the organic solvents relative to the total mass of the reaction liquid excluding the mass of water is preferably 20 to 50 mass %, more preferably 25 to 45 mass %, and even more preferably 30 to 40 mass %.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and the organic solvent can be easily removed from the resin particles in a subsequent step.
前記反応液の総質量から水の質量を除いた基準質量に対する前記イソシアネート成分の合計の含有量は、50~80質量%が好ましく、55~75質量%がより好ましく、60~70質量%がさらに好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、上述した好適な範囲の平均粒子径を有する中空粒子を容易に形成することができる。
The total content of the isocyanate components relative to the reference mass obtained by subtracting the mass of water from the total mass of the reaction liquid is preferably 50 to 80 mass%, more preferably 55 to 75 mass%, and even more preferably 60 to 70 mass%.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and hollow particles having an average particle size within the above preferred range can be easily formed.
前記反応液の総質量から水の質量を除いた基準質量に対する自己乳化型イソシアネートの含有量は、12~45質量%が好ましく、15~40質量%がより好ましく、18~35質量%がさらに好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、上述した好適な範囲の平均粒子径を有する中空粒子を容易に形成することができる。
The content of the self-emulsifying isocyanate relative to the total mass of the reaction liquid excluding the mass of water is preferably 12 to 45 mass%, more preferably 15 to 40 mass%, and even more preferably 18 to 35 mass%.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and hollow particles having an average particle size within the above preferred range can be easily formed.
前記反応液に非自己乳化型イソシアネートが含まれる場合、前記反応液の総質量から水の質量を除いた基準質量に対する非自己乳化型イソシアネートの含有量は、20~50質量%が好ましく、25~45質量%がより好ましく、30~42質量%がさらに好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、上述した好適な範囲の平均粒子径を有する中空粒子を容易に形成することができる。
When the reaction liquid contains a non-self-emulsifying isocyanate, the content of the non-self-emulsifying isocyanate relative to the reference mass obtained by subtracting the mass of water from the total mass of the reaction liquid is preferably 20 to 50 mass%, more preferably 25 to 45 mass%, and even more preferably 30 to 42 mass%.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and hollow particles having an average particle size within the above preferred range can be easily formed.
前記反応液に含まれる有機溶剤の合計の質量(M1)と、前記反応液に含まれるイソシアネート成分の総質量(M2)との比(M2/M1)は、0.6~4.0が好ましく、1.0~3.0がより好ましく、1.2~2.5がさらに好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、後段の工程で樹脂粒子から有機溶剤を容易に除去することができる。
The ratio (M2/M1) of the total mass (M1) of the organic solvents contained in the reaction liquid to the total mass (M2) of the isocyanate components contained in the reaction liquid is preferably 0.6 to 4.0, more preferably 1.0 to 3.0, and even more preferably 1.2 to 2.5.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and the organic solvent can be easily removed from the resin particles in a subsequent step.
前記反応液に含まれる有機溶剤の合計の質量(M1)と、前記反応液に含まれる前記水の質量(M3)との比(M3/M1)は、1.5~6.0が好ましく、2.5~5.0がより好ましく、3.0~4.5がさらに好ましく、3.5~4.0が特に好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、後段の工程で樹脂粒子から有機溶剤を容易に除去することができる。
The ratio (M3/M1) of the total mass (M1) of the organic solvents contained in the reaction liquid to the mass (M3) of the water contained in the reaction liquid is preferably 1.5 to 6.0, more preferably 2.5 to 5.0, even more preferably 3.0 to 4.5, and particularly preferably 3.5 to 4.0.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and the organic solvent can be easily removed from the resin particles in a subsequent step.
前記反応液に非自己乳化型イソシアネートが含まれる場合、非自己乳化型イソシアネートの質量(M4)と、前記反応液に含まれる自己乳化型イソシアネートの質量(M5)との比(M5/M4)は、0.4~10.0が好ましく、0.6~2.0がさらに好ましく、0.7~1.5がさらに好ましく、0.8~1.2が特に好ましく、0.9~1.1が最も好ましい。
上記の好適な範囲であると、中空構造を容易に形成でき、上述した好適な範囲の平均粒子径を有する中空粒子を容易に形成することができる。
When the reaction liquid contains a non-self-emulsifying isocyanate, the ratio (M5/M4) of the mass (M4) of the non-self-emulsifying isocyanate to the mass (M5) of the self-emulsifying isocyanate contained in the reaction liquid is preferably 0.4 to 10.0, more preferably 0.6 to 2.0, even more preferably 0.7 to 1.5, particularly preferably 0.8 to 1.2, and most preferably 0.9 to 1.1.
When the content is within the above preferred range, a hollow structure can be easily formed, and hollow particles having an average particle size within the above preferred range can be easily formed.
調製した反応液を攪拌しながら加熱する方法は常法で行うことができる。加熱時の反応液の温度は例えば50~80℃が好ましい。この好ましい温度において、重合反応は3~12時間程度で完了することができる。反応終了後、次の工程に進む。The reaction solution thus prepared can be heated while being stirred in the usual manner. The temperature of the reaction solution during heating is preferably, for example, 50 to 80°C. At this preferred temperature, the polymerization reaction can be completed in about 3 to 12 hours. After the reaction is complete, proceed to the next step.
[懸濁安定剤・界面活性剤]
前記反応液には、粒子合成の安定化に寄与する懸濁安定剤、界面活性剤を添加してもよい。
懸濁安定剤としては、例えば、セルロース系水溶性樹脂(例えば、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等)、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、第3リン酸塩類、ゼラチン等が挙げられる。
懸濁安定剤は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。懸濁安定剤の添加量は、ビーズ原料(粒子を形成する原料であって、有機溶剤及び水以外)100質量部に対して0~30質量部であることが好ましい。懸濁安定剤の添加量が前記範囲内であれば、懸濁状態を充分に安定化させることができる。
また、懸濁状態を安定化させるために、水に界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤は、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、両面界面活性剤のいずれであってもよいし、2種以上を使用してもよい。
懸濁安定剤、界面活性剤は、粒子の形成材料である前述したポリオールと区別されるものである。
[Suspension stabilizers/surfactants]
A suspension stabilizer and a surfactant that contribute to stabilizing particle synthesis may be added to the reaction liquid.
Examples of suspension stabilizers include water-soluble cellulose resins (e.g., methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, etc.), polyvinyl alcohol, polyacrylates, polyvinylpyrrolidone, polyacrylamide, tertiary phosphates, gelatin, etc.
The suspension stabilizer may be used alone or in combination of two or more kinds. The amount of the suspension stabilizer added is preferably 0 to 30 parts by mass per 100 parts by mass of the bead raw material (raw material for forming particles other than organic solvent and water). If the amount of the suspension stabilizer added is within the above range, the suspension state can be sufficiently stabilized.
In order to stabilize the suspension, a surfactant may be added to the water. The surfactant may be any of anionic surfactants, cationic surfactants, nonionic surfactants, and amphoteric surfactants, and two or more of them may be used.
The suspension stabilizer and surfactant are to be distinguished from the above-mentioned polyol, which is a material for forming particles.
<有機溶剤除去工程>
前段の重合工程で得た反応後の溶液に樹脂粒子が含まれたスラリーを加熱し、樹脂粒子に含まれる有機溶剤を除去する。スラリーの加熱温度としは、樹脂粒子の外殻部の劣化を抑制する観点から、150℃未満が好ましく、130℃以下が好ましく、115℃以下がさらに好ましい。この好ましい温度において、好ましくは0.5~3時間、より好ましくは1~2時間で、樹脂粒子中の有機溶剤を除去することができる。
前段の重合工程で使用した有機溶剤が、水と任意の割合で混合されたときに100℃以下の共沸点を有するものであれば、本工程における加熱によって水と共沸しうるので、より容易に除去できる。なお、スラリーを加熱する際にスラリーを密封して加圧する必要はない。
<Organic solvent removal process>
The slurry containing the resin particles in the solution after the reaction obtained in the previous polymerization step is heated to remove the organic solvent contained in the resin particles. From the viewpoint of suppressing deterioration of the outer shell of the resin particles, the heating temperature of the slurry is preferably less than 150° C., more preferably 130° C. or less, and even more preferably 115° C. or less. At this preferred temperature, the organic solvent in the resin particles can be removed preferably for 0.5 to 3 hours, more preferably 1 to 2 hours.
If the organic solvent used in the previous polymerization step has an azeotropic point of 100° C. or less when mixed with water in an arbitrary ratio, it can be removed more easily because it can form an azeotrope with water by heating in this step. It is not necessary to seal and pressurize the slurry when heating it.
<乾燥工程>
前段の有機溶剤除去工程を経たスラリーは、水と樹脂粒子とを含む。スラリーを固液分離して得た樹脂粒子の中空部には水分が残留している可能性があるので、樹脂粒子を乾燥雰囲気下において乾燥させることが好ましい。乾燥処理によって、中空部から水を完全に除去することができる。乾燥温度としては例えば50~80℃が好ましい。この好ましい温度において、乾燥処理は12~24時間程度で完了することができる。
以上の工程により、目的の中空粒子が得られる。
<Drying process>
The slurry that has been subjected to the organic solvent removal step in the previous stage contains water and resin particles. Since moisture may remain in the hollows of the resin particles obtained by solid-liquid separation of the slurry, it is preferable to dry the resin particles in a dry atmosphere. The drying process can completely remove water from the hollows. The drying temperature is preferably, for example, 50 to 80°C. At this preferable temperature, the drying process can be completed in about 12 to 24 hours.
Through the above steps, the desired hollow particles are obtained.
以下、本発明について実施例を挙げてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例だけに限定されるものではない。The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
各例で製造した乾燥後の中空粒子の体積平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計(島津製作所製SALD2100)を用いて測定した体積基準の平均粒子径である。The volume average particle diameter of the hollow particles after drying produced in each example is the volume-based average particle diameter measured using a laser diffraction particle size distribution meter (SALD2100 manufactured by Shimadzu Corporation).
(実施例1)
2L攪拌機付きセパラブルフラスコに水600gを仕込み、この中に、後で形成された樹脂粒子をスラリー中で分散させるためのゼラチン5.0gを溶解して分散媒を調製した。
これとは別に、トルエン160.0g、自己乳化イソシアネートであるデュラネートWB40-100の120.0g、非自己乳化イソシアネートであるイソホロンジイソシアネートヌレート体120.0g、ウレタン化触媒であるジブチル錫ジラウレート12.0mgを混合して、プレポリマー液を調製した。
前記分散媒を、攪拌機の回転数400rpmで攪拌しながら、前記プレポリマー液を添加して、重合用懸濁液を調製した。次いで、攪拌を継続しながら、重合用懸濁液を70℃に昇温し、5時間反応させて、中空粒子の外殻部になるポリウレタンポリウレアを形成させ、トルエン及び水が内包された樹脂粒子を得た(重合工程)。その後、100℃に昇温し、1時間保持して、樹脂粒子内部からトルエンを揮発させた(有機溶剤除去工程)。これにより、トルエンが除かれた樹脂粒子が水中に分散したスラリーを得た。
次いで、前記スラリーを室温まで冷却した後、ろ過により固液分離し、回収した樹脂粒子を水で充分洗浄した後、70℃で20時間乾燥して、内部に残留する水を充分に除去し、体積平均粒子径8.6μmの球状の中空粒子を得た。中空粒子の内部構造を確認するために、固定用樹脂に埋めた中空粒子を輪切りして撮像したSEM像を図1~2に示す。SEM像から、外殻部(シェル)が単一の内部空間を包囲した中空粒子であることが確認された。
Example 1
A 2 L separable flask equipped with a stirrer was charged with 600 g of water, and 5.0 g of gelatin was dissolved therein to prepare a dispersion medium for dispersing the resin particles formed later in a slurry.
Separately, a prepolymer liquid was prepared by mixing 160.0 g of toluene, 120.0 g of Duranate WB40-100 which is a self-emulsifying isocyanate, 120.0 g of isophorone diisocyanate nurate which is a non-self-emulsifying isocyanate, and 12.0 mg of dibutyltin dilaurate which is a urethanization catalyst.
The prepolymer liquid was added to the dispersion medium while stirring the mixture at a rotation speed of 400 rpm to prepare a polymerization suspension. Next, while continuing stirring, the polymerization suspension was heated to 70°C and reacted for 5 hours to form polyurethane polyurea that becomes the outer shell of the hollow particles, and resin particles containing toluene and water were obtained (polymerization step). After that, the temperature was raised to 100°C and kept for 1 hour to volatilize toluene from the inside of the resin particles (organic solvent removal step). As a result, a slurry in which the resin particles from which toluene had been removed were dispersed in water was obtained.
Next, the slurry was cooled to room temperature, and then subjected to solid-liquid separation by filtration. The recovered resin particles were thoroughly washed with water and then dried at 70°C for 20 hours to thoroughly remove the water remaining inside, obtaining spherical hollow particles with a volume average particle size of 8.6 μm. In order to confirm the internal structure of the hollow particles, SEM images of hollow particles embedded in a fixing resin and sliced into cross sections are shown in Figures 1 and 2. The SEM images confirmed that the hollow particles were hollow particles with an outer shell surrounding a single internal space.
(実施例2~14)
有機溶剤の種類又は量、外殻部形成用重合原料の種類又は量、ウレタン化触媒の量、ポリオールの量、分散媒の量を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして球状の中空粒子を得た。
表中の「外殻部形成用重合原料中の自己乳化イソシアネート比率」は外殻部形成用自己乳化イソシアネートと外殻部形成用非自己乳化イソシアネートの合計量を100質量%とした際の外殻部形成用自己乳化イソシアネートの質量%である。
表中の「有機溶剤比率」は、外殻部形成用重合原料と中空部形成用有機溶剤との合計量を100質量%とした際の有機溶剤の質量%である。
実施例5,6で用いた非自己乳化イソシアネートは、ヘキサメチレンジイソシアネートヌレート体である。
実施例12~14で用いたポリオールは、ポリエチレングリコール(分子量:600、水酸基価:187mgKOH/g)またはポリエチレングリコール(分子量:1000、水酸基価:112.2mgKOH/g)である。
実施例2~14で製造した中空粒子についても、図示しないがSEMを撮像し、外殻部が単一の内部空間を包囲した中空粒子であることを確認した。
(Examples 2 to 14)
Spherical hollow particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the type or amount of the organic solvent, the type or amount of the polymerization raw material for forming the outer shell, the amount of the urethanization catalyst, the amount of the polyol, and the amount of the dispersion medium were changed as shown in Table 1.
In the table, the "ratio of self-emulsifying isocyanate in the polymerization raw material for forming the outer shell" is the mass % of the self-emulsifying isocyanate for forming the outer shell when the total amount of the self-emulsifying isocyanate for forming the outer shell and the non-self-emulsifying isocyanate for forming the outer shell is taken as 100 mass %.
The "organic solvent ratio" in the table is the mass % of the organic solvent when the total amount of the polymerization raw material for forming the outer shell portion and the organic solvent for forming the hollow portion is taken as 100 mass %.
The non-self-emulsifying isocyanate used in Examples 5 and 6 was hexamethylene diisocyanate nurate.
The polyol used in Examples 12 to 14 was polyethylene glycol (molecular weight: 600, hydroxyl value: 187 mg KOH/g) or polyethylene glycol (molecular weight: 1000, hydroxyl value: 112.2 mg KOH/g).
The hollow particles produced in Examples 2 to 14 were also photographed with an SEM (not shown), and it was confirmed that the outer shell portion surrounded a single internal space.
(比較例1)
2L攪拌機付きセパラブルフラスコに水600gを仕込み、この中にゼラチン5.0gを溶解して分散媒を調製した。
これとは別に、トルエン160.0g、イソホロンジイソシアネートヌレート体240.0g、ウレタン化触媒であるジブチル錫ジラウレート12.0mgを混合して、プレポリマー液を調製した。
前記分散媒を、攪拌機の回転数400rpmで攪拌しながら、前記プレポリマー液を添加して、重合用懸濁液を調製した。次いで、攪拌を継続しながら、重合用懸濁液を70℃に昇温し、5時間反応させて、外殻部になるポリウレタンポリウレアを形成させ、樹脂粒子を得た(重合工程)。その後、100℃に昇温し、1時間保持して、樹脂粒子内部に内包されている可能性のあるトルエンを揮発させた(有機溶剤除去工程)。これにより、樹脂粒子が水中に分散したスラリーを得た。
次いで、前記スラリーを室温まで冷却した後、ろ過により固液分離し、回収した樹脂粒子を水で充分洗浄した後、70℃で20時間乾燥して、体積平均粒子径185.9μmの球状の樹脂粒子を得た。この樹脂粒子の内部構造をSEM像で確認したところ、図示しないが、中空化は全く起きていなかった。この原因は、自己乳化イソシアネートをプレポリマー液に配合しなかったことであると考えられた。
(Comparative Example 1)
A 2 L separable flask equipped with a stirrer was charged with 600 g of water, and 5.0 g of gelatin was dissolved therein to prepare a dispersion medium.
Separately, a prepolymer liquid was prepared by mixing 160.0 g of toluene, 240.0 g of isophorone diisocyanate nurate, and 12.0 mg of dibutyltin dilaurate as a urethanization catalyst.
The prepolymer liquid was added to the dispersion medium while stirring the mixture at a rotation speed of 400 rpm to prepare a polymerization suspension. Next, while continuing stirring, the polymerization suspension was heated to 70°C and reacted for 5 hours to form polyurethane polyurea that would become the outer shell, thereby obtaining resin particles (polymerization step). After that, the temperature was raised to 100°C and maintained for 1 hour to volatilize toluene that may have been encapsulated inside the resin particles (organic solvent removal step). This resulted in a slurry in which the resin particles were dispersed in water.
Next, the slurry was cooled to room temperature, and then filtered to separate the solid and liquid. The collected resin particles were thoroughly washed with water and then dried at 70° C. for 20 hours to obtain spherical resin particles with a volume average particle size of 185.9 μm. When the internal structure of the resin particles was confirmed using an SEM image (not shown), no hollowing occurred at all. This was thought to be due to the fact that the self-emulsified isocyanate was not mixed into the prepolymer liquid.
(比較例2)
2L攪拌機付きセパラブルフラスコに水600gを仕込み、この中にゼラチン5.0gを溶解して分散媒を調製した。
これとは別に、キシレン160.0g、デュラネートWB40-100の120.0g、イソホロンジイソシアネートヌレート体の120.0g、ウレタン化触媒であるジブチル錫ジラウレート12.0mgを混合して、プレポリマー液を調製した。
前記分散媒を、攪拌機の回転数400rpmで攪拌しながら、前記プレポリマー液を添加して、重合用懸濁液を調製した。次いで、攪拌を継続しながら、重合用懸濁液を70℃に昇温し、5時間反応させて、外殻部になるポリウレタンポリウレアを形成させ、樹脂粒子を得た(重合工程)。その後、100℃に昇温し、1時間保持して、樹脂粒子内部からキシレンの除去を試みた(有機溶剤除去工程)。しかし、1013hPaで100℃以下ではキシレンが水と共沸せず、キシレンが揮発しないため、キシレンを内包した樹脂粒子が水中に分散したスラリーを得た。
次いで、前記スラリーを室温まで冷却した後、ろ過により固液分離し、回収した樹脂粒子を水で充分洗浄した後、70℃で20時間乾燥して、体積平均粒子径10.0μmの球状の樹脂粒子を得た。この樹脂粒子では、内包したキシレンを除去することが出来ず、目的の中空粒子が得られなかった。この原因は、選択した有機溶剤の沸点が高く、水と共沸し難いことであると考えられた。
(Comparative Example 2)
A 2 L separable flask equipped with a stirrer was charged with 600 g of water, and 5.0 g of gelatin was dissolved therein to prepare a dispersion medium.
Separately, a prepolymer liquid was prepared by mixing 160.0 g of xylene, 120.0 g of Duranate WB40-100, 120.0 g of isophorone diisocyanate nurate, and 12.0 mg of dibutyltin dilaurate as a urethanization catalyst.
The prepolymer liquid was added to the dispersion medium while stirring the stirring machine at a rotation speed of 400 rpm to prepare a polymerization suspension. Next, while continuing stirring, the polymerization suspension was heated to 70 ° C. and reacted for 5 hours to form polyurethane polyurea to become the outer shell, and resin particles were obtained (polymerization step). After that, the temperature was raised to 100 ° C. and maintained for 1 hour to attempt to remove xylene from the inside of the resin particles (organic solvent removal step). However, at 1013 hPa and 100 ° C. or less, xylene did not azeotrope with water and xylene did not volatilize, so a slurry was obtained in which resin particles containing xylene were dispersed in water.
Next, the slurry was cooled to room temperature, and then filtered to separate the solid and liquid. The collected resin particles were thoroughly washed with water and then dried at 70°C for 20 hours to obtain spherical resin particles with a volume average particle size of 10.0 μm. The xylene contained in the resin particles could not be removed, and the desired hollow particles could not be obtained. The reason for this was thought to be that the boiling point of the selected organic solvent was high and it was difficult to form an azeotrope with water.
(実施例8)
2L攪拌機付きセパラブルフラスコに水600gを仕込み、この中にゼラチン5.0gを溶解して分散媒を調製した。
これとは別に、トルエン60.0g、デュラネートWB40-100の170.0g、イソホロンジイソシアネートヌレート体の170.0g、ウレタン化触媒であるジブチル錫ジラウレート17.0mgを混合して、プレポリマー液を調製した。
前記分散媒を、攪拌機の回転数400rpmで攪拌しながら、前記プレポリマー液を添加して、重合用懸濁液を調製した。次いで、攪拌を継続しながら、重合用懸濁液を70℃に昇温し、5時間反応させて、外殻部になるポリウレタンポリウレアを形成させ、樹脂粒子を得た(重合工程)。その後、100℃に昇温し、1時間保持して、樹脂粒子内部に内包されている可能性のあるトルエンを揮発させた(有機溶剤除去工程)。これにより、樹脂粒子が水中に分散したスラリーを得た。
次いで、前記スラリーを室温まで冷却した後、ろ過により固液分離し、回収した樹脂粒子を水で充分洗浄した後、70℃で20時間乾燥して、体積平均粒子径6.5μmの球状の樹脂粒子を得た。このポリウレタン粒子の内部構造をSEM像で複数確認したところ、図示しないが、少数の粒子では中空化が起きていたが、大半の粒子で中空化は起きていなかった。この結果は、有機溶剤の添加量が少ないと、中空化される粒子の割合が減じることを示していると考えられる。
(Example 8)
A 2 L separable flask equipped with a stirrer was charged with 600 g of water, and 5.0 g of gelatin was dissolved therein to prepare a dispersion medium.
Separately, a prepolymer liquid was prepared by mixing 60.0 g of toluene, 170.0 g of Duranate WB40-100, 170.0 g of isophorone diisocyanate nurate, and 17.0 mg of dibutyltin dilaurate as a urethanization catalyst.
The prepolymer liquid was added to the dispersion medium while stirring the mixture at a rotation speed of 400 rpm to prepare a polymerization suspension. Next, while continuing stirring, the polymerization suspension was heated to 70°C and reacted for 5 hours to form polyurethane polyurea that would become the outer shell, thereby obtaining resin particles (polymerization step). After that, the temperature was raised to 100°C and maintained for 1 hour to volatilize toluene that may have been encapsulated inside the resin particles (organic solvent removal step). This resulted in a slurry in which the resin particles were dispersed in water.
Next, the slurry was cooled to room temperature, and then filtered to separate the solid and liquid. The collected resin particles were thoroughly washed with water and then dried at 70°C for 20 hours to obtain spherical resin particles with a volume average particle size of 6.5 μm. The internal structure of the polyurethane particles was confirmed using multiple SEM images, and although a small number of particles were hollowed out (not shown), the majority of the particles were not hollowed out. This result is thought to indicate that the proportion of hollow particles decreases when the amount of organic solvent added is small.
(比較例3)
2L攪拌機付きセパラブルフラスコに水600gを仕込み、この中にゼラチン5.0gを溶解して分散媒を調製した。
これとは別に、トルエン160.0g、デュラネートWB40-100の120.0g、イソホロンジイソシアネートヌレート体の120.0g、ポリエチレングリコール(分子量:6000、水酸基価:18.7mgKOH/g)の8.0g、ウレタン化触媒であるジブチル錫ジラウレート12.0mgを混合して、プレポリマー液を調製した。
前記分散媒を、攪拌機の回転数400rpmで攪拌しながら、前記プレポリマー液を添加して、重合用懸濁液を調製した。次いで、攪拌を継続しながら、重合用懸濁液を70℃に昇温し、5時間反応させて、外殻部になるポリウレタンを形成させ、樹脂粒子を得た(重合工程)。その後、100℃に昇温し、1時間保持して、樹脂粒子内部に内包されている可能性のあるトルエンを揮発させた(有機溶剤除去工程)。これにより、樹脂粒子が水中に分散したスラリーを得た。
次いで、前記スラリーを室温まで冷却した後、ろ過により固液分離し、回収した樹脂粒子を水で充分洗浄した後、70℃で20時間乾燥して、体積平均粒子径27.0μmの球状の樹脂粒子を得た。このポリウレタン粒子の内部構造をSEM像で複数確認したところ、図示しないが、ほぼ全ての粒子で中空化は起きていなかった。この結果は、ポリオールの水酸基価が少ないと、中空化される粒子の割合が極端に減じることを示していると考えられる。
(Comparative Example 3)
A 2 L separable flask equipped with a stirrer was charged with 600 g of water, and 5.0 g of gelatin was dissolved therein to prepare a dispersion medium.
Separately from this, a prepolymer liquid was prepared by mixing 160.0 g of toluene, 120.0 g of Duranate WB40-100, 120.0 g of isophorone diisocyanate nurate, 8.0 g of polyethylene glycol (molecular weight: 6000, hydroxyl value: 18.7 mg KOH/g), and 12.0 mg of dibutyltin dilaurate as a urethanization catalyst.
The prepolymer liquid was added to the dispersion medium while stirring the mixture at a rotation speed of 400 rpm to prepare a polymerization suspension. Next, while continuing stirring, the polymerization suspension was heated to 70°C and reacted for 5 hours to form polyurethane that would become the outer shell, thereby obtaining resin particles (polymerization step). After that, the temperature was raised to 100°C and maintained for 1 hour to volatilize toluene that may have been encapsulated inside the resin particles (organic solvent removal step). This resulted in a slurry in which the resin particles were dispersed in water.
Next, the slurry was cooled to room temperature, and then filtered to separate the solid and liquid. The collected resin particles were thoroughly washed with water and then dried at 70°C for 20 hours to obtain spherical resin particles with a volume average particle size of 27.0 μm. The internal structure of the polyurethane particles was confirmed using multiple SEM images, and although not shown, almost all of the particles were not hollow. This result is thought to indicate that when the hydroxyl value of the polyol is low, the proportion of hollow particles is extremely reduced.
Claims (10)
前記ポリマーは、イソシアネート成分と、水及びポリオールのうち少なくとも水との反応生成物であり、
前記イソシアネート成分は、自己乳化型イソシアネート及び非自己乳化型イソシアネートのうち、少なくとも自己乳化型イソシアネートを含む、中空粒子。 The hollow particles have an outer shell formed of a polymer having at least a urea bond among a urethane bond and a urea bond, and a hollow portion enclosed in the outer shell,
The polymer is a reaction product of an isocyanate component with water and a polyol, and
The isocyanate component is a hollow particle containing at least a self-emulsifying isocyanate out of a self-emulsifying isocyanate and a non-self-emulsifying isocyanate.
前記ポリイソシアネートは、分子中に、ビュウレット構造、イソシアヌレート構造、又はアダクト構造を備え、親水基をさらに有する、請求項1に記載の中空粒子。 The self-emulsifying isocyanate is a polyisocyanate having three or more isocyanate groups formed from at least one of an aliphatic diisocyanate and an alicyclic diisocyanate,
The hollow particle according to claim 1 , wherein the polyisocyanate has a biuret structure, an isocyanurate structure, or an adduct structure in a molecule, and further has a hydrophilic group.
前記イソシアネート成分と、水と、有機溶剤とを含む混合液を攪拌しながら加熱し、前記イソシアネート成分を懸濁重合して前記外殻部を形成することにより、前記外殻部に内包された前記水及び前記有機溶剤を有する樹脂粒子を含むスラリーを得る工程と、
前記スラリーを加熱し、前記樹脂粒子から前記有機溶剤を除去する工程を有する、中空粒子の製造方法(但し、前記混合液の総質量から水を除いた基準質量に対して、キシレンを30質量%以上含む場合と、水酸基価20mgKOH未満のポリオールを1質量%以上含む場合を除く)。 A method for producing the hollow particles according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of:
a step of heating a mixed liquid containing the isocyanate component, water, and an organic solvent while stirring, and suspension-polymerizing the isocyanate component to form the outer shell portion, thereby obtaining a slurry containing resin particles having the water and the organic solvent encapsulated in the outer shell portion;
a step of heating the slurry to remove the organic solvent from the resin particles (excluding the case where the mixed liquid contains 30% by mass or more of xylene and 1% by mass or more of a polyol having a hydroxyl value of less than 20 mg KOH, based on a reference mass obtained by excluding water from a total mass of the mixed liquid).
前記混合液に含まれる前記非自己乳化型イソシアネートの質量(M4)と、前記混合液に含まれる前記自己乳化型イソシアネートの質量(M5)との比(M5/M4)が、1.0~10.0である、請求項9に記載の中空粒子の製造方法。 The isocyanate component contained in the mixed liquid contains the non-self-emulsifying isocyanate,
10. The method for producing hollow particles according to claim 9, wherein a ratio (M5/M4) of a mass (M4) of the non-self-emulsifying isocyanate contained in the mixed solution to a mass (M5) of the self-emulsifying isocyanate contained in the mixed solution is 1.0 to 10.0.
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