WO2021215381A1 - カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法 - Google Patents
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- C08F20/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms, Derivatives thereof
- C08F20/04—Acids, Metal salts or ammonium salts thereof
- C08F20/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof
Definitions
- the present invention relates to a method for producing a carboxyl group-containing crosslinked polymer or a salt thereof.
- Carboxyl group-containing polymers are used in various applications such as thickeners and viscosity modifiers for cosmetics, binders for non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes, sedimentation inhibitors for pigments, and dispersion stabilizers for metal powders. ing.
- thickener for cosmetics when the carboxyl group-containing polymer is linear, it has a spinnability and feels sticky, but as the degree of cross-linking is increased, the spinnability becomes higher. It has the characteristic that it decreases and you can feel the freshness.
- a carboxyl group-containing crosslinked polymer is often used because of the advantage that high viscosity can be obtained with a small amount of use.
- a carboxyl group-containing crosslinked polymer is often used because of the advantages of being able to impart good binding properties and cycle characteristics.
- the precipitation polymerization method is a polymerization method in which a polymerizable monomer is dissolved in a solvent, but the obtained polymer is insoluble in a solvent and precipitates to obtain a crosslinked polymer, and particles having a size of several ⁇ m to several hundreds of ⁇ m are generally obtained. ..
- a carboxyl group-containing crosslinked polymer a microcrosslinked acrylic acid-based polymer is produced by precipitation polymerization, and an attempt is made to use it as a binder for a lithium ion secondary battery electrode.
- the dispersion polymerization method is a method of obtaining a crosslinked polymer as primary particles by using a dispersion stabilizer or the like for precipitation polymerization, depending on the type and amount of the polymerizable monomer, solvent, and dispersion stabilizer.
- This is a polymerization method capable of controlling the particle size of the produced fine particles, and is suitable for obtaining particles having a size of submicron to several ⁇ m.
- a carboxyl group-containing crosslinked polymer a microcrosslinked acrylic acid-based polymer is produced by dispersion polymerization, and an attempt is made to use it as a binder for a lithium ion secondary battery electrode.
- the precipitation polymerization method and the dispersed weight described in Patent Documents 1 and 2 are used as a binder for particles in the slurry (for example, a binder for the active material in the lithium ion secondary battery electrode slurry).
- a legally produced microcrosslinked acrylic acid-based polymer is used, the micro-crosslinking of the acrylic acid-based polymer can enhance the binding property between the particles in the slurry, while the polymer. Since the spread in water increases and the viscosity increases significantly even with a small amount of addition, there is a limit to the reduction of the slurry viscosity, and both coatability and coating performance (for example, cycle characteristics of a lithium ion secondary battery) can be achieved. There was a problem.
- the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to achieve both coatability and coating performance of a composition containing a carboxyl group-containing crosslinked polymer or a salt thereof.
- the present invention provides a method for producing a crosslinked polymer or a salt thereof.
- the present inventors have conducted precipitation polymerization or dispersion polymerization in the presence of an exchange chain transfer mechanism type control agent to carry out a monomer containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer.
- an exchange chain transfer mechanism type control agent to carry out a monomer containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer.
- the present invention is as follows.
- a polymer comprising a step of polymerizing a body component, wherein the exchange chain transfer mechanism type control agent has a polymer chain of one or more kinds of vinyl-based monomers and a living radical polymerization active unit by the exchange chain transfer mechanism.
- the crosslinked polymer or a salt thereof is neutralized to a degree of neutralization of 80 to 100 mol%, and then the particle size measured in an aqueous medium is 0.1 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less in terms of volume-based median diameter.
- the carboxyl group-containing crosslinked polymer or a salt thereof obtained by the production method of the present invention it is possible to achieve both the coatability and the coating film performance of the composition containing the crosslinked polymer or the salt thereof.
- a carboxyl group-containing crosslinked polymer (hereinafter, "" This is a production method comprising a step of producing (also referred to as “the present crosslinked polymer") or a salt thereof.
- (meth) acrylic means acrylic and / or methacrylic
- (meth) acrylate means acrylate and / or methacrylate
- (meth) acryloyl group means an acryloyl group and / or a methacryloyl group.
- the crosslinked polymer has a structural unit derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer (hereinafter, also referred to as “component (a)”), and is a single amount containing an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer.
- component (a) ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer
- the body component can be introduced into the polymer by precipitation polymerization or dispersion polymerization. Since the crosslinked polymer has a carboxyl group by having such a structural unit, the adhesiveness to the substrate is improved and water swelling property is imparted.
- the composition containing the crosslinked polymer or a salt thereof can be enhanced.
- the adhesiveness to the current collector, which is the base material is improved, and the lithium ion desolvation effect and ionic conductivity are excellent, so the resistance is small and the high rate characteristics are excellent. An electrode is obtained.
- Examples of the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer include (meth) acrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid; and (meth) acrylamide alkyl such as (meth) acrylamide hexane acid and (meth) acrylamide dodecanoic acid.
- Carboxylic acid; ethylenically unsaturated monomers having carboxyl groups such as monohydroxyethyl succinate (meth) acrylate, ⁇ -carboxy-caprolactone mono (meth) acrylate, ⁇ -carboxyethyl (meth) acrylate, or (partial) thereof.
- Alkali neutralized products may be mentioned, and one of these may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
- a compound having an acryloyl group as a polymerizable functional group is preferable, and particularly preferably Acrylic acid.
- Acrylic acid is used as the ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer, a polymer having a high carboxyl group content can be obtained.
- the content of the component (a) in the present crosslinked polymer is not particularly limited, but may be, for example, 10% by mass or more and 100% by mass or less with respect to all the structural units of the present crosslinked polymer.
- the lower limit is, for example, 20% by mass or more, for example, 30% by mass or more, and for example, 40% by mass or more.
- the lower limit is 50% by mass or more, the dispersion stability of the present composition becomes good and a higher binding force can be obtained, which is preferable, and it may be 60% by mass or more, or 70% by mass or more. It may be 80% by mass or more.
- the upper limit is, for example, 99.9% by mass or less, for example, 99.5% by mass or less, for example, 99% by mass or less, for example, 98% by mass or less, and for example, 95% by mass. It is less than or equal to, for example, 90% by mass or less, and for example, 80% by mass or less.
- the range may be a range in which such a lower limit and an upper limit are appropriately combined, and is, for example, 10% by mass or more and 100% by mass or less, and for example, 50% by mass or more and 100% by mass or less, and for example. It can be 50% by mass or more and 99.9% by mass or less, and can be, for example, 50% by mass or more and 99% by mass or less, and can be, for example, 50% by mass or more and 98% by mass or less.
- the crosslinked polymer may contain a structural unit derived from another ethylenically unsaturated monomer copolymerizable with the component (hereinafter, also referred to as “component (b)”).
- component (b) includes, for example, an ethylenically unsaturated monomer compound having an anionic group other than a carboxyl group such as a sulfonic acid group and a phosphoric acid group, or a nonionic ethylenically unsaturated monomer.
- the structural unit from which it is derived can be mentioned.
- These structural units are ethylenically unsaturated monomer compounds having anionic groups other than carboxyl groups such as sulfonic acid groups and phosphoric acid groups, or monomers containing nonionic ethylenically unsaturated monomers. Can be introduced by copolymerizing.
- the ratio of the component (b) can be 0% by mass or more and 90% by mass or less with respect to all the structural units of the present crosslinked polymer.
- the ratio of the component (b) may be 1% by mass or more and 60% by mass or less, 2% by mass or more and 50% by mass or less, and 5% by mass or more and 40% by mass or less. It may be 10% by mass or more and 30% by mass or less.
- the affinity for the electrolytic solution is improved, so that the lithium ion conductivity is improved. Can also be expected to improve.
- the component (b) among the above, structural units derived from nonionic ethylenically unsaturated monomers are preferable from the viewpoint of obtaining a coating film having good bending resistance, and nonionic ethylenically unsaturated.
- the saturated monomer include (meth) acrylamide and its derivatives, a nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomer, an alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomer, a hydroxyl group-containing ethylenically unsaturated monomer, and the like. Be done.
- Examples of the (meth) acrylamide derivative include N-alkyl (meth) acrylamide compounds such as isopropyl (meth) acrylamide and t-butyl (meth) acrylamide; Nn-butoxymethyl (meth) acrylamide and N-isobutoxymethyl.
- N-alkoxyalkyl (meth) acrylamide compounds such as (meth) acrylamide; N, N-dialkyl (meth) acrylamide compounds such as dimethyl (meth) acrylamide and diethyl (meth) acrylamide include one of them. It may be used alone or in combination of two or more.
- nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomer examples include (meth) achlorinitrile; (meth) cyanomethyl acrylate, (meth) cyanoethyl acrylate and other (meth) acrylate cyanoalkyl ester compounds; 4-cyanostyrene. , 4-Cyano- ⁇ -methylstyrene and other unsaturated aromatic compounds containing cyano groups; examples thereof include vinylidene cyanide, and one of these may be used alone or in combination of two or more. You may use it.
- acrylonitrile is preferable because it has a high nitrile group content.
- Examples of the alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomer include cyclopentyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, methylcyclohexyl (meth) acrylate, t-butylcyclohexyl (meth) acrylate, and (meth).
- Cyclodecyl acrylate and cyclododecyl (meth) acrylate and other aliphatic substituents may have (meth) cycloalkyl acrylate; isobornyl (meth) acrylate, adamantyl (meth) acrylate, (meth).
- Cycloalkyl polyalcohol mono (meth) acrylate and the like can be mentioned, and one of these may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
- hydroxyl group-containing ethylenically unsaturated monomer examples include hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, and hydroxybutyl (meth) acrylate, and one of these is used alone. It may be used in combination, or two or more kinds may be used in combination.
- the crosslinked polymer or a salt thereof is excellent in binding properties to particles in the slurry, and thus contains (meth) acrylamide and its derivatives, a nitrile group-containing ethylenically unsaturated monomer, and an alicyclic structure-containing ethylenic property. It preferably contains structural units derived from unsaturated monomers and the like. Further, particularly in the application of a lithium ion secondary battery, when a structural unit derived from a hydrophobic ethylenically unsaturated monomer having a solubility in water of 1 g / 100 ml or less is introduced as the component (b), an electrode is used. It can exert a strong interaction with the material and can exhibit good binding property to the active material.
- the above-mentioned "hydrophobic ethylenically unsaturated monomer having a solubility in water of 1 g / 100 ml or less" is particularly selected.
- An alicyclic structure-containing ethylenically unsaturated monomer is preferable.
- the structural unit derived from the hydroxyl group-containing ethylenically unsaturated monomer may be contained as the component (b) in that the cycle characteristics of the obtained secondary battery are improved.
- the structural unit is preferably contained in an amount of 0.5% by mass or more and 70% by mass or less, more preferably 2.0% by mass or more and 50% by mass or less, and 10.0% by mass or more and 50% by mass or less. It is more preferable to include it.
- (meth) acrylic acid ester examples include (meth) methyl acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, and the like.
- Aromatic (meth) acrylic acid ester compounds such as (meth) phenyl acrylate, (meth) phenylmethyl acrylate, and (meth) phenylethyl acrylate; Examples thereof include (meth) acrylic acid alkoxyalkyl ester compounds such as 2-methoxyethyl (meth) acrylic acid and 2-ethoxyethyl (meth) acrylic acid, and one of these may be used alone. Two or more types may be used in combination.
- an aromatic (meth) acrylic acid ester compound can be preferably used.
- Compounds having an ether bond such as (meth) acrylic acid alkoxyalkyl esters such as 2-methoxyethyl (meth) acrylate and 2-ethoxyethyl (meth) acrylate, from the viewpoint of further improving lithium ion conductivity and high-rate characteristics. Is preferable, and 2-methoxyethyl (meth) acrylate is more preferable.
- nonionic ethylenically unsaturated monomers a compound having an acryloyl group is obtained in that a polymer having a long primary chain length can be obtained due to its high polymerization rate and the adhesive strength of this crosslinked polymer is improved. preferable. Further, as the nonionic ethylenically unsaturated monomer, a compound having a glass transition temperature (Tg) of a homopolymer of 0 ° C. or less is preferable in terms of improving the bending resistance of the obtained coating film.
- Tg glass transition temperature
- the crosslinked polymer may be in the form of a salt in which some or all of the carboxyl groups contained in the polymer are neutralized.
- the type of salt is not particularly limited, but alkali metal salts such as lithium salt, sodium salt and potassium salt; alkaline earth metal salts such as calcium salt and barium salt; other metal salts such as magnesium salt and aluminum salt; ammonium. Examples thereof include salts and organic amine salts.
- alkali metal salts and magnesium salts are preferable, and alkali metal salts are more preferable, from the viewpoint that adverse effects on battery characteristics are unlikely to occur.
- the present crosslinked polymer is a crosslinked polymer having a crosslinked structure.
- the cross-linking method in the present cross-linked polymer is not particularly limited, and examples thereof include the following methods. 1) Copolymerization of crosslinkable monomers 2) Utilizing chain transfer to polymer chains during radical polymerization 3) After synthesizing a polymer having a reactive functional group, post-crosslinking is performed by adding a crosslinking agent as necessary.
- the crosslinked polymer has a crosslinked structure, the crosslinked polymer or a salt thereof can have excellent adhesive strength.
- the method by copolymerization of crosslinkable monomers is preferable because the operation is simple and the degree of crosslinking can be easily controlled.
- crosslinkable monomer examples include a polyfunctional polymerizable monomer having two or more polymerizable unsaturated groups, a monomer having a self-crosslinkable crosslinkable functional group such as a hydrolyzable silyl group, and the like. Can be mentioned.
- the polyfunctional polymerizable monomer is a compound having two or more polymerizable functional groups such as a (meth) acryloyl group and an alkenyl group in the molecule, and is a polyfunctional (meth) acrylate compound, a polyfunctional alkenyl compound, ( Meta) Examples thereof include compounds having both an acryloyl group and an alkenyl group. These compounds may be used alone or in combination of two or more. Among these, a polyfunctional alkenyl compound is preferable because a uniform crosslinked structure can be easily obtained, and a polyfunctional allyl ether compound having two or more allyl ether groups in the molecule is particularly preferable.
- polyfunctional (meth) acrylate compound examples include ethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, 1,6-hexanediol di (meth) acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate, and polypropylene glycol di (meth) acrylate.
- Di (meth) acrylates of dihydric alcohols such as meta) acrylate; trimethylol propantri (meth) acrylate, tri (meth) acrylate of trimethyl propanethylene oxide modified product, glycerin tri (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) Tri (meth) acrylates of trivalent or higher polyhydric alcohols such as meta) acrylates and pentaerythritol tetra (meth) acrylates, poly (meth) acrylates such as tetra (meth) acrylates; Bisamides and the like can be mentioned.
- polyfunctional alkenyl compound examples include polyfunctional allyl ether compounds such as trimethylolpropanediallyl ether, trimethylolpropanetriallyl ether, pentaerythritol diallyl ether, pentaerythritol triallyl ether, tetraallyloxyethane, and polyallyl saccharose; diallyl phthalate and the like.
- Polyfunctional allyl compound examples thereof include polyfunctional vinyl compounds such as divinylbenzene.
- Compounds having both (meth) acryloyl group and alkenyl group include allyl (meth) acrylate, isopropenyl (meth) acrylate, butenyl (meth) acrylate, pentenyl (meth) acrylate, and (meth) acrylate. 2- (2-Vinyloxyethoxy) ethyl and the like can be mentioned.
- the monomer having a self-crosslinkable crosslinkable functional group include a hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer, N-methylol (meth) acrylamide, N-methoxyalkyl (meth) acrylate and the like. Can be mentioned. These compounds can be used alone or in combination of two or more.
- the hydrolyzable silyl group-containing vinyl monomer is not particularly limited as long as it is a vinyl monomer having at least one hydrolyzable silyl group.
- vinyl silanes such as vinyl trimethoxysilane, vinyl triethoxysilane, vinyl methyl dimethoxysilane, vinyl dimethyl methoxysilanen; silyl such as trimethoxysilylpropyl acrylate, triethoxysilylpropyl acrylate, methyldimethoxysilylpropyl acrylate and the like.
- Group-containing acrylic acid esters silyl group-containing methacrylate esters such as trimethoxysilylpropyl methacrylate, triethoxysilylpropyl methacrylate, methyldimethoxysilylpropyl methacrylate, dimethylmethoxysilylpropyl methacrylate; trimethoxysilylpropyl vinyl ether and the like.
- Cyril group-containing vinyl ethers examples thereof include silyl group-containing vinyl esters such as trimethoxysilyl undecanoate vinyl.
- the amount of the crosslinkable monomer used is the total amount of monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomer). It is preferably 0.05 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less, more preferably 0.1 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less, and further preferably 0.2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass. It is 4.0 parts by mass or less, more preferably 0.3 parts by mass or more and 3.0 parts by mass or less.
- the amount of the crosslinkable monomer used is 0.05 parts by mass or more, it is preferable in that the adhesive strength and the stability of the present composition become better.
- the amount of the crosslinkable monomer used may be 0.02 to 1.7 mol% with respect to the total amount of the monomers other than the crosslinkable monomer (non-crosslinkable monomer). It is preferably 0.10 to 1.0 mol%, more preferably 0.10 to 1.0 mol%.
- the crosslinked polymer is a monomer component containing the above ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer in the presence of an exchange chain transfer mechanism type control agent (hereinafter, also referred to as “the present monomer”). It is obtained by precipitation polymerization or dispersion polymerization.
- precipitation polymerization is a method for producing a polymer by carrying out a polymerization reaction in a solvent that dissolves a monomer as a raw material but does not substantially dissolve the polymer to be produced.
- Dispersion stabilizers can also be used to control the particle size of the polymer.
- the secondary aggregation can also be suppressed by selecting a dispersion stabilizer, a polymerization solvent, or the like. In general, precipitation polymerization in which secondary agglutination is suppressed is also called dispersion polymerization.
- the exchange chain transfer mechanism type control agent includes a control agent (hereinafter, also referred to as “RAFT agent”) in the reversible addition-cleaving chain transfer polymerization method (RAFT method).
- RAFT agent a control agent in the polymerization method using an organic tellurium compound (TERP method)
- TRIP method organic tellurium compound
- SBRP method organic antimony compound
- BIRP method organic bismuth compound
- the exchange chain transfer mechanism type control agent a polymer having a polymer chain of one or more kinds of vinyl-based monomers and a living radical polymerization active unit by the exchange chain transfer mechanism (hereinafter, simply "the first polymer").
- a control agent other than the polymer can be used, which will be described in detail in paragraphs [0052] to [0078] described later.
- the first polymer and the control agent other than the polymer may be used alone or in combination.
- Precipitation polymerization or dispersion polymerization of this monomer in the presence of an exchange chain transfer mechanism type control agent shortens the primary chain length, and the same chain length forms a uniform crosslinked structure. It is possible to increase the degree of water swelling of the polymer.
- the RAFT agent and the control agent in the iodine transfer polymerization method are preferable, and the RAFT agent is more preferable, because the crosslinked structure of the present crosslinked polymer can be made more uniform.
- RAFT agents include a first polymer having a living radical polymerization active unit by a reversible addition-cleavage chain transfer method (detailed below) and / or a RAFT agent (dithioester) other than the first polymer.
- RAFT agent dithioester
- Compounds, xanthate compounds, trithiocarbonate compounds, dithiocarbamate compounds, etc. can be used.
- Specific examples of the RAFT agent other than the first polymer include 2-cyano-2-propylbenzodithioate, 2-phenyl-2-propylbenzodithioate, trithiocarbonate, and 2-cyano-.
- 2-propyldodecyltrithiocarbonate 2- (dodecylthiocarbonothio oil thio) propionic acid, 3-((1-carboxyethylthio) carbonothio oil thio)) propionic acid, 2- (dodecylthio carbonothio oil thio) Methyl 2-methylpropanoate, 1,4-bis (n-dodecylsulfanylthiocarbonylsulfanylmethyl) benzene, dibenzyltrithiocarbonate, distyryltrithiocarbonate, dicumyltrithiocarbonate, cyanomethyl-N-methyl-N- Examples thereof include phenyldithiocarbamate.
- the RAFT agents those having trithiocarbonate in the molecule are particularly preferable in that the crosslinked structure of the present crosslinked polymer can be made more uniform.
- a first polymer having a living radical active unit by the iodine transfer polymerization method (detailed later) and / or a control agent other than the first polymer shall be used.
- the control agent other than the first polymer include alkyl groups such as methyl iodide, methylene iodide, iodoform, carbon tetraiodide, 1-phenylethyl iodide, and benzyl iodide.
- Examples thereof include -2-phenylacetic acid) ethylene glycol, bis (2-iodoisobutyric acid) ethylene glycol, 1,5-diiodo-2,4-dimethylbenzene, and 2-iodopropionitrile.
- the exchange chain transfer mechanism type control agent may be a monofunctional one having one active site, or a bifunctional or more agent having two or more active sites.
- a bifunctional or higher exchange chain transfer mechanism type control agent is one in which a polymer chain is extended in a bidirectional or higher direction. From the viewpoint of producing the present crosslinked polymer, it may be preferable to use a bifunctional or trifunctional or higher exchange chain transfer mechanism type control agent.
- the amount of the exchange chain transfer mechanism type control agent used is 0.0001 to 0.50 mol% with respect to the total amount of the present monomer in that the crosslinked structure of the crosslinked polymer can be made more uniform. It is more preferable, it is more preferably 0.0001 to 0.40 mol%, further preferably 0.0001 to 0.30 mol%, and more preferably 0.0002 to 0.30 mol%. More preferred.
- polymerization initiator used together with the exchange chain transfer mechanism type control agent known polymerization initiators such as azo compounds, organic peroxides, and inorganic peroxides can be used, but are not particularly limited.
- the conditions of use can be adjusted by known methods such as heat initiation, redox initiation with a reducing agent, and UV initiation so that the amount of radicals generated is appropriate.
- an azo compound is preferable because it is easy to handle for safety and side reactions during radical polymerization are unlikely to occur.
- azo compounds include 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), and 2,2'-azobis (4-methoxy-2, 4-Dimethylvaleronitrile), dimethyl-2,2'-azobis (2-methylpropionate), 2,2'-azobis (2-methylbutyronitrile), 1,1'-azobis (cyclohexane-1-) Carbonitrile), 2,2'-azobis [N- (2-propenyl) -2-methylpropionamide], 2,2'-azobis (N-butyl-2-methylpropionamide) and the like. Only one kind of the radical polymerization initiator may be used, or two or more kinds thereof may be used in combination.
- the preferable amount of the polymerization initiator used is, for example, 0.001 to 2 parts by mass and, for example, 0.005 to 1 part by mass, when the total amount of the monomer components used is 100 parts by mass. Further, for example, it is 0.01 to 0.1 parts by mass.
- the amount of the polymerization initiator used is 0.001 part by mass or more, the polymerization reaction can be stably carried out, and when it is 2 parts by mass or less, a polymer having a long primary chain length can be easily obtained.
- the proportion of the polymerization initiator used is not particularly limited, but the amount of the polymerization initiator used per 1 mol of the exchange chain transfer mechanism type control agent is 0.5 mol from the viewpoint that the crosslinked structure of the present crosslinked polymer can be made uniform. It is preferably less than or equal to 0.2 mol or less. Further, from the viewpoint of stably performing the polymerization reaction, the lower limit of the amount of the polymerization initiator used with respect to 1 mol of the exchange chain transfer mechanism type control agent is 0.001 mol.
- the amount of the polymerization initiator used with respect to 1 mol of the exchange chain transfer mechanism type control agent is preferably in the range of 0.001 mol or more and 0.5 mol or less, and more preferably in the range of 0.005 mol or more and 0.2 mol or less.
- the polymerization solvent a solvent selected from water, various organic solvents and the like can be used in consideration of the type of monomer used and the like. In order to obtain a polymer having a longer primary chain length, it is preferable to use a solvent having a small chain transfer constant.
- Specific examples of the polymerization solvent include water-soluble solvents such as methanol, t-butyl alcohol, acetone, methyl ethyl ketone, acetonitrile and tetrahydrofuran, as well as benzene, ethyl acetate, dichloroethane, n-hexane, cyclohexane and n-heptane.
- the water-soluble solvent refers to a solvent having a solubility in water at 20 ° C. of more than 10 g / 100 ml.
- Methyl ethyl ketone and acetonitrile are preferable because they are easy to use), a polymer having a small chain transfer constant and a large degree of polymerization (primary chain length) can be obtained, and the operation is easy during the step neutralization described later. ..
- a highly polar solvent preferably include water and methanol.
- the amount of the highly polar solvent used is preferably 0.05 to 20.0% by mass, more preferably 0.1 to 10.0% by mass, still more preferably 0.1 to 5% by mass based on the total mass of the medium. It is 0.0% by mass, more preferably 0.1 to 1.0% by mass.
- the polymerization rate is improved when a highly polar solvent is added, and it becomes easy to obtain a polymer having a long primary chain length.
- a highly polar solvent water is particularly preferable because it has a large effect of improving the polymerization rate.
- the reaction temperature during the polymerization reaction in the presence of the exchange chain transfer mechanism type controller is preferably 30 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 110 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 100 ° C. or higher. It is below ° C.
- the reaction temperature is 30 ° C. or higher, the polymerization reaction can proceed smoothly.
- the reaction temperature is 120 ° C. or lower, side reactions can be suppressed and restrictions on the initiators and solvents that can be used are relaxed.
- the crosslinked polymer dispersion obtained through the polymerization step can be obtained in a powder state by subjecting the dispersion to a reduced pressure and / or heat treatment in the drying step and distilling off the solvent.
- a solid-liquid separation step such as centrifugation and filtration, an organic solvent or an organic solvent / water. It is preferable to include a cleaning step using a mixed solvent.
- an alkaline compound is added to the dispersion of the crosslinked polymer obtained in the polymerization step to add weight.
- step neutralization After neutralizing the coalescence (hereinafter, also referred to as "step neutralization"), the solvent may be removed in a drying step.
- post-neutralization an alkaline compound is added when preparing the slurry composition to neutralize the polymer (hereinafter, "post-neutralization”). It may also be called).
- post-neutralization is added when preparing the slurry composition to neutralize the polymer. It may also be called).
- process neutralization is preferable because the secondary aggregates tend to be easily disintegrated.
- first monomer a polymerized chain of one kind or two or more kinds of vinyl-based monomers (hereinafter, also simply referred to as “first monomer”)
- first monomer a polymer (first polymer) having a living radical polymerization active unit by an exchange chain transfer mechanism and a “first polymer chain”
- the first polymer is used as a starting point for the polymerization of the present monomer and the polymerization of the crosslinked polymer.
- the present crosslinked polymer which can be used as a dispersion stabilizer in a solvent and has a polymer chain having a structural unit derived from the present monomer bonded to the polymer chain of the first polymer, is obtained as dispersed fine particles. Can be done. By doing so, the polymerization stability, that is, the aggregation of the present crosslinked polymer during the polymerization step is suppressed, the generation of coarse aggregated particles is suppressed, the particle size is small, and the particle size distribution is narrow. You can get coalescence.
- the first polymer In order to make the first polymer function as a dispersion stabilizer in producing the present crosslinked polymer by polymerizing the present monomer in the presence of the first polymer, for example, the first polymer is used. , 0.3 parts by mass or more and 50 parts by mass or less can be used with respect to 100 parts by mass of the total mass of this monomer. By using it in such a range, it is possible to produce the present crosslinked polymer mainly containing the present monomer while allowing the first polymer to function as a dispersion stabilizer.
- the amount of the first polymer is less than 0.3 parts by mass, it is difficult to obtain a sufficient dispersion stabilizing effect, and the particle size of the crosslinked polymer tends to exceed 0.3 ⁇ m, even if it exceeds 50 parts by mass. This is because it is difficult to improve the functionality as a dispersion stabilizer, and the effect of reducing the particle size of the crosslinked polymer is also reduced.
- the first polymer can be used with respect to 100 parts by mass of the total mass of the present monomer, for example, 0.5 parts by mass or more, and for example, 1 part by mass or more. Further, the first polymer can be used, for example, 40 parts by mass or less, for example, 30 parts by mass or less, and for example, 20 parts by mass or less.
- the range of the amount of the first polymer used with respect to 100 parts by mass of the total mass of the present monomer can be set by appropriately combining the above upper limit and lower limit.
- the polymerization conditions for producing the first polymer are well known to those skilled in the art, and examples of the polymerization process include various processes such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization and emulsion polymerization. Considering that it is a polymerization starting point in the production of coalescence and that it functions as a dispersion stabilizer, solution polymerization can be used, for example. Further, the polymerization conditions such as the type of the exchange chain transfer mechanism control agent, the type and amount of the polymerization initiator, the polymerization solvent, and the reaction temperature are described in the above paragraphs [0040] to [0043] and [0045] to [0049].
- the amount of the exchange chain transfer mechanism control agent used is appropriately adjusted according to the number average molecular weight (Mn) of the target first polymer.
- Mn number average molecular weight
- a RAFT agent and a control agent in the iodine transfer polymerization method are preferable in that the molecular weight distribution of the first polymer can be reduced.
- the concentration at the time of producing the first polymer is not particularly limited with respect to the total mass of the amount charged such as the polymerization solvent and the first monomer, but is, for example, 10% by mass or more and 80% by mass. % Or less, for example, 15% by mass or more and 70% by mass or less, and for example, 20% by mass or more and 70% by mass or less.
- a living polymerization active unit is provided at the end of the first polymerization chain, and the exchange chain transfer mechanism type having two or more functionalitys is used.
- a control agent when used, it is branched in two or more directions with the living polymerization active unit as a base point, and each of them is provided with a first polymerization chain.
- the other polymerized chain when another polymerized chain is provided, the other polymerized chain is directly bonded to the living polymerization active unit, and the first polymerization is carried out more distally to the living polymerization active unit.
- the first polymerized chain is bonded to the distal end of the other polymerized chain so that the chain is provided.
- the first polymer may also include two or more types of first polymerized chains. For example, after performing living radical polymerization or the like using one or more first monomers of a certain composition, one or more first monomers of another composition are used. By carrying out living radical polymerization or the like, a first polymer having a first polymerization chain (block) having a structural unit derived from the first monomer having a different composition can be obtained.
- the number average molecular weight (Mn) of the first polymer is not particularly limited, but is, for example, 3,000 or more, for example, 5,000 or more, and for example, 7,000 or more. Also, for example, 8,000 or more, and for example, 10,000 or more. Further, the Mn is 50,000 or less, for example, 30,000 or less, and for example, 25,000 or less, and for example, 20,000 or less, and for example, 15,000 or less. And, for example, 14,000 or less, and for example, 12,000 or less.
- the range of Mn can be set by appropriately combining the above-mentioned lower limit and upper limit, and is, for example, 5,000 or more and 25,000 or less, and for example, 10,000 or more and 25,000 or less. For example, it is 10,000 or more and 15,000 or less, and for example, 10,000 or more and 14,000 or less.
- the weight average molecular weight (Mw) of the first polymer is not particularly limited, but is, for example, 5,000 or more, for example, 7,000 or more, and for example, 9,000 or more. Also, for example, 10,000 or more, for example, 13,000 or more, and for example, 15,000 or more. Further, the Mw is 60,000 or less, for example, 55,000 or less, and for example, 50,000 or less, and for example, 45,000 or less, and for example, 40,000 or less. And, for example, 36,000 or less, and for example, 35,000 or less, and for example, 30,000 or less, and for example, 25,000 or less.
- the range of Mw can be set by appropriately combining the above-mentioned lower limit and upper limit, and is, for example, 1,000 or more and 40,000 or less, and for example, 10,000 or more and 35,000 or less. For example, it is 10,000 or more and 30,000 or less, and for example, 15,000 or more and 25,000 or less.
- Both Mw and Mn of the first polymer can be measured by gel permeation chromatography using polystyrene as a standard substance.
- the details of the chromatography conditions the conditions disclosed in the subsequent examples can be adopted.
- the molecular weight distribution (Mw / Mn) of the first polymer is not particularly limited, but is, for example, 2.5 or less, for example, 2.4 or less, and for example, 2.3 or less. Yes, for example 2.0 or less, and for example 1.6 or less, and for example 1.5 or less, and for example 1.4 or less, and for example 1.3 or less. be. Further, the molecular weight distribution is, for example, 1.1 or more, for example, 1.2 or more, and for example, 1.3 or more, and for example, 1.4 or more, and for example, 1.5 or more. Is.
- the range of the molecular weight distribution can be set by appropriately combining the above-mentioned lower limit and upper limit. For example, 1.1 or more and 2.5 or less, for example, 1.1 or more and 2.4 or less, and for example, 1 It can be 1 or more and 2.3 or less, and for example, 1.1 or more and 2.0 or less.
- the molecular weight distribution is preferably 2.4 or less, and in order to obtain the present crosslinked polymer having a smaller particle size, it is preferably 1.7 or less, and more preferably 1. It is 6 or less, and more preferably 1.4 or less.
- first monomer examples include styrenes, (meth) acrylonitrile compounds, maleimide compounds, unsaturated acid anhydrides and unsaturated carboxylic acid compounds. One or a combination of two or more of these can be used.
- Styrenes include styrene and its derivatives. Specific compounds include styrene, ⁇ -methylstyrene, ⁇ -methylstyrene, vinyltoluene, vinylxylene, vinylnaphthalene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, o-ethylstyrene, and m-.
- styrene, o-methoxystyrene, m-methoxystyrene, p-methoxystyrene, o-hydroxystyrene, m-hydroxystyrene, and p-hydroxystyrene are preferable from the viewpoint of polymerizable property.
- Examples of the (meth) acrylonitrile compound include (meth) acrylonitrile, acrylonitrile, ⁇ -methylacrylonitrile, and the like.
- acrylonitrile is used.
- the maleimide compound includes a maleimide and an N-substituted maleimide compound.
- the N-substituted maleimide compound include N-methylmaleimide, N-ethylmaleimide, Nn-propylmaleimide, N-isopropylmaleimide, Nn-butylmaleimide, N-isobutylmaleimide, and N-tert-butyl.
- N-alkyl-substituted maleimide compounds such as maleimide, N-pentylmaleimide, N-hexylmaleimide, N-heptylmaleimide, N-octylmaleimide, N-laurylmaleimide, N-stearylmaleimide; N-cyclopentylmaleimide, N-cyclohexylmaleimide, etc.
- N-Cycloalkyl-substituted maleimide compounds N-phenylmaleimide, N- (4-hydroxyphenyl) maleimide, N- (4-acetylphenyl) maleimide, N- (4-methoxyphenyl) maleimide, N- (4-ethoxy) Examples thereof include N-aryl-substituted maleimide compounds such as phenyl) maleimide, N- (4-chlorophenyl) maleimide, N- (4-bromophenyl) maleimide, and N-benzylmaleimide, and one or more of these. Can be used. For example, N-phenylmaleimide is used.
- examples of the unsaturated acid anhydride include maleic anhydride, itaconic anhydride, citraconic anhydride and the like, and one or more of these can be used.
- unsaturated carboxylic acid compounds include (meth) acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, silicic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, citraconic acid, maleic anhydride, and anhydrous.
- unsaturated dicarboxylic acids such as itaconic acid and citraconic anhydride, and monoalkyl esters of unsaturated dicarboxylic acids, and one or more of them can be used.
- the first monomer preferably contains, for example, at least styrenes.
- styrenes are easy to carry out in the living room and can impart appropriate hydrophobicity and affinity to organic solvents. It is possible to impart hydrophobicity or affinity to an organic solvent to the first polymerized chain.
- the first polymer tends to be present on the surface layer of the crosslinked polymer, and the crosslinked polymer is produced. Dispersion stability is improved.
- Styrene is, for example, 20% by mass or more of the total mass of the first monomer. This is because if the content is 20% by mass or more, the living polymerization is facilitated, and an appropriate hydrophobicity and an affinity for an organic solvent can be appropriately imparted. Further, for example, it is 30% by mass or more, and for example, 35% by mass or more, and for example, 40% by mass or more, and for example, 50% by mass or more, and for example, 60% by mass or more. Further, for example, it is 65% by mass or more, for example, 70% by mass or more, and for example, 75% by mass or more.
- the styrenes are 100% by mass or less of the total mass, and are, for example, 95% by mass or less, and are, for example, 90% by mass or less, and are, for example, 85% by mass or less, and are, for example,. It is 80% by mass or less, and for example, 75% by mass or less.
- the range of the styrenes with respect to the total mass can be set by appropriately combining the above-mentioned lower limit and upper limit, and is, for example, 20% by mass or more and 95% by mass or less, and for example, 30% by mass or more and 75% by mass or more. And, for example, 35% by mass or more and 85% by mass or less.
- the (meth) acrylonitrile compound, maleimide compound, acid anhydride and unsaturated carboxylic acid compound can be used alone, and it is preferable to use one or more of these four types in combination with styrenes. This is because all of these four types can maintain, regulate or impart the hydrophobicity or organic solvent affinity of the first polymerized chain.
- one or more of (meth) acrylonitrile compounds such as acrylonitrile, maleimide compounds such as N-phenylmaleimide, and acid anhydrides.
- a combination of styrene and acrylonitrile, styrene and N-phenylmaleimide and the like is preferable.
- the unsaturated carboxylic acid compound is preferable in that the polarity of the first polymer can be easily changed.
- the total amount of these one or more first monomers other than styrenes is the first monomer for polymerizing the first polymerized chain (first). It is, for example, 20% by mass or more of the total mass of the first monomer unit of the polymerized chain). Further, for example, it is 25% by mass or more, and for example, 30% by mass or more, and for example, 35% by mass or more, and for example, 40% by mass or more, and for example, 50% by mass or more. Further, for example, it is 60% by mass or more.
- the (meth) acrylonitrile compound is 80% by mass or less of the total mass, and is, for example, 75% by mass or less, and is, for example, 70% by mass or less, and is, for example, 65% by mass or less. Further, for example, it is 60% by mass or less, for example, 55% by mass or less, and for example, 50% by mass or less.
- the range of the styrenes with respect to the total mass can be set by appropriately combining the above lower limit and upper limit, and is, for example, 20% by mass or more and 65% by mass or less, and for example, 25% by mass or more and 50% by mass or more. It is as follows.
- the first polymerized chain may be a polymerized chain containing only the first monomer described above, but if necessary, other vinyl-based monomers other than the above may be used as the first monomer. be able to.
- known vinyl-based monomers such as (meth) acrylic acid esters such as (meth) acrylic acid and alkyl (meth) acrylic acid can be used.
- these other monomers are, for example, 10% by mass or less, for example, 5% by mass or less, for example, 3% by mass or less, or, for example, the total mass of the monomers constituting the first polymerized chain. 1, 1% by mass or less, and for example, 0.5% by mass or less.
- the first polymer may include a block (another polymer chain) different from that of the first polymer chain.
- Such other polymerized chains may be added, for example, in another synthetic step after the formation of the first polymerized chain.
- a radical polymerization initiator and another vinyl-based monomer are continuously or newly supplied to the first polymer having the first polymer chain to have a composition different from that of the first polymer chain. It is possible to obtain a first polymer having another polymer chain (block) composed of units derived from a monomer other than the first monomer.
- a part of the monomer common to the present monomer used in the present crosslinked polymer can be partially linked in advance. It can be provided in the first polymer.
- the first polymer has a living radical polymerization active unit by an exchange chain transfer mechanism, it can be used as a solubility or dispersion stabilizer in the polymerization solvent of the first polymer in the precipitation polymerization or dispersion polymerization of this monomer.
- Various monomers can be selected for the function of.
- RAFT method reversible addition-cleavage chain transfer polymerization method
- iodine transfer polymerization method a polymerization method using an organic tellurium compound
- TMP method a polymerization method using an organic tellurium compound
- SBRP method organic antimony compound
- BIRP method organic bismuth compound
- the RAFT method and the iodine transfer polymerization method are preferable, and the RAFT method is more preferable, because the particle size of the crosslinked polymer can be reduced.
- the crosslinked polymer or a salt thereof preferably has a viscosity of 100 mPa ⁇ s or more in a 2% by mass aqueous solution thereof.
- the viscosity of the 2% by mass aqueous solution is 100 mPa ⁇ s or more
- the composition containing the crosslinked polymer has high storage stability and can exhibit excellent adhesive strength.
- the viscosity of the 2 mass% concentration aqueous solution may be 1,000 mPa ⁇ s or more, 10,000 mPa ⁇ s or more, or 50,000 mPa ⁇ s or more.
- This crosslinked polymer absorbs water and becomes swollen in water.
- the crosslinked polymer has an appropriate degree of crosslinkage, the larger the amount of hydrophilic groups contained in the crosslinked polymer, the easier it is for the crosslinked polymer to absorb water and swell.
- the degree of cross-linking the lower the degree of cross-linking, the easier it is for the cross-linked polymer to swell.
- the number of cross-linking points is the same, the larger the molecular weight (primary chain length), the more cross-linking points that contribute to the formation of the three-dimensional network, so that the cross-linked polymer is less likely to swell.
- the viscosity of the crosslinked polymer aqueous solution can be adjusted by adjusting the amount of hydrophilic groups of the crosslinked polymer, the number of crosslinked points, the primary chain length, and the like.
- the number of the cross-linking points can be adjusted by, for example, the amount of the cross-linking monomer used, the chain transfer reaction to the polymer chain, the post-crosslinking reaction, and the like.
- the primary chain length of the polymer can be adjusted by setting conditions related to the amount of radicals generated such as the initiator and the polymerization temperature, and selecting the polymerization solvent in consideration of chain transfer and the like.
- the crosslinked polymer does not exist as a mass (secondary agglomerate) having a large particle size, but is well dispersed as water-swelled particles having an appropriate particle size. Is preferable because it can exhibit good adhesive strength.
- the particle size (water-swelling particle size) when a crosslinked polymer having a degree of neutralization based on a carboxyl group of 80 to 100 mol% is dispersed in water is a volume-based median diameter. It is preferably in the range of 0.1 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
- the more preferable range of the particle size is 0.1 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less, the more preferable range is 0.1 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less, and the more preferable range is 0.2 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less. Yes, and even more preferable ranges are 0.3 ⁇ m or more and 3.0 ⁇ m or less.
- the composition When the particle size is in the range of 0.1 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less, the composition is uniformly present in a suitable size in the present composition, so that the present composition is highly stable and exhibits excellent adhesive strength. It becomes possible. If the particle size exceeds 5.0 ⁇ m, the adhesive strength may be insufficient as described above. In addition, there is a risk that the coatability will be insufficient because it is difficult to obtain a smooth coated surface. On the other hand, when the particle size is less than 0.1 ⁇ m, there is concern from the viewpoint of stable manufacturability.
- acid groups such as a carboxyl group derived from an ethylenically unsaturated carboxylic acid monomer are neutralized so that the degree of neutralization is 20 mol% or more in the present composition, and the mode of the salt is It is preferable to use as.
- the degree of neutralization is more preferably 50 mol% or more, further preferably 70 mol% or more, still more preferably 75 mol% or more, still more preferably 80 mol% or more, and particularly preferably. It is 85 mol% or more.
- the upper limit of the degree of neutralization is 100 mol%, and may be 98 mol% or 95 mol%.
- the range of the degree of neutralization may be appropriately combined with the above lower limit value and upper limit value, and may be, for example, 50 mol% or more and 100 mol% or less, or 75 mol% or more and 100 mol% or less. , 80 mol% or more and 100 mol% or less.
- the degree of neutralization is 20 mol% or more, the water swelling property is good and the dispersion stabilizing effect is easily obtained, which is preferable.
- the degree of neutralization can be calculated by calculation from the charged values of a monomer having an acid group such as a carboxyl group and a neutralizing agent used for neutralization.
- the crosslinked polymer or a salt thereof preferably has a water swelling degree of 20 or more and 80 or less at pH 8.
- the degree of water swelling is within the above range, the crosslinked polymer or a salt thereof swells appropriately in an aqueous medium, so that a sufficient adhesion area to the particles in the slurry and the substrate is secured when forming the coating film. It becomes possible to do so, and the binding property tends to be good.
- the degree of water swelling may be, for example, 21 or more, 23 or more, 25 or more, 27 or more, or 30 or more.
- the degree of water swelling is 20 or more, the crosslinked polymer or a salt thereof spreads on the surface of the particles or the base material in the slurry, and a sufficient adhesive area can be secured, so that good binding property can be obtained.
- the upper limit of the degree of water swelling at pH 8 may be 75 or less, 70 or less, 65 or less, 60 or less, or 55 or less. If the degree of water swelling exceeds 80, the viscosity of the present composition tends to increase, and as a result of insufficient uniformity of the mixture layer, sufficient binding force may not be obtained. In addition, the coatability of the present composition may decrease.
- the range of the degree of water swelling at pH 8 can be set by appropriately combining the above upper limit value and lower limit value, and is, for example, 23 or more and 70 or less, and for example, 25 or more and 65 or less, and for example, 25. It is 55 or less.
- the degree of water swelling at pH 8 can be obtained by measuring the degree of swelling of the crosslinked polymer or a salt thereof in water at pH 8.
- the pH at the time of measurement is, for example, in the range of 8.0 ⁇ 0.5, preferably in the range of 8.0 ⁇ 0.3, more preferably in the range of 8.0 ⁇ 0.2, and further. It is preferably in the range of 8.0 ⁇ 0.1.
- a person skilled in the art can adjust the degree of water swelling by controlling the composition and structure of the crosslinked polymer.
- the degree of water swelling can be increased by introducing an acidic functional group or a highly hydrophilic structural unit into the crosslinked polymer. Further, by lowering the degree of cross-linking of the cross-linked polymer, the degree of water swelling is usually increased.
- the measuring device is shown in FIG.
- the measuring device is composed of ⁇ 1> to ⁇ 3> in FIG. ⁇ 1> It is composed of a burette 1, a pinch cock 2, a silicon tube 3 and a polytetrafluoroethylene tube 4 having a branch tube for venting air.
- a support cylinder 8 having a large number of holes on the bottom surface is installed on the funnel 5, and a filter paper 10 for an apparatus is installed on the support cylinder 8.
- the measuring method will be described below.
- the pinch cock 2 in ⁇ 1> is removed, ion-exchanged water is poured from the upper part of the burette 1 through the silicon tube 3, and the burette 1 to the filter paper 10 for the device are filled with the ion-exchanged water 12.
- the pinch cock 2 is closed, and air is removed from the polytetrafluoroethylene tube 4 connected to the burette branch pipe with a rubber stopper. In this way, the ion-exchanged water 12 is continuously supplied from the burette 1 to the filter paper 10 for the apparatus.
- the reading (a) of the scale of the burette 1 is recorded.
- the particle size distribution of the hydrogel was measured with a laser diffraction / scattering particle size distribution meter (Microtrack MT-3300EXII, manufactured by Microtrac Bell) using ion-exchanged water as a dispersion medium.
- a laser diffraction / scattering particle size distribution meter Microtrack MT-3300EXII, manufactured by Microtrac Bell
- the particle size distribution shape measured after several minutes became stable.
- the particle size distribution was measured to obtain a volume-based median diameter (D50) as a representative value of the particle size.
- a hydrogel fine particle dispersion in which the polymer salt was swollen in water was prepared. After adjusting each of the obtained hydrogel fine particle dispersions to 25 ° C. ⁇ 1 ° C., the viscosity at a rotor speed of 12 rpm was measured using a B-type viscometer (TVB-10 manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.).
- the reaction rate of the obtained polymer 1 was 72%.
- the molecular weight of the polymer 1 was Mn11,900, Mw15,500, and Mw / Mn was 1.30. Styrene and acrylonitrile correspond to the first monomer.
- the molecular weight of the first polymer was measured by gel permeation chromatography (GPC). That is, a polystyrene-equivalent number average molecular weight (Mn) and a weight average molecular weight (Mw) were obtained by THF-based GPC. Moreover, the molecular weight distribution (Mw / Mn) was calculated from the obtained values.
- GPC gel permeation chromatography
- LiOH / H 2 O lithium hydroxide / monohydrate
- the obtained polymerization reaction solution was centrifuged to settle the polymer particles, and then the supernatant was removed. Then, after redispersing the precipitate in acetonitrile having the same weight as the polymerization reaction solution, the washing operation of precipitating the polymer particles by centrifugation to remove the supernatant was repeated twice.
- the precipitate was recovered and dried at 80 ° C. for 3 hours under reduced pressure conditions to remove volatile components to obtain a powder of the carboxyl group-containing polymer salt R-1. Since the carboxyl group-containing polymer salt R-1 has hygroscopicity, it was stored in a container having a water vapor barrier property.
- the degree of water swelling was 36.4, the particle size in the aqueous medium was 1.72 ⁇ m, and the viscosity of the 2% by mass aqueous solution was 9,110 mPa ⁇ s.
- Examples 2 to 15 and Comparative Examples 1 to 2 Production of carboxyl group-containing crosslinked polymer salts R-2 to R-17
- the same operation as in Production Example 1 was carried out except that the amounts of the monomer, the crosslinkable monomer and the neutralizing agent were as shown in Table 1, and the carboxyl group-containing crosslinked polymer salts R-2 to R were carried out.
- a polymerization reaction solution containing -17 was obtained.
- the same operations as in Production Example 1 were carried out for each polymerization reaction solution to obtain powdery carboxyl group-containing crosslinked polymer salts R-2 to R-17.
- Each carboxyl group-containing crosslinked polymer salt was sealed and stored in a container having a water vapor barrier property.
- Table 1 shows the degree of water swelling of R-2 to R-17, the particle size in the aqueous medium, and the viscosity of the 2% by mass aqueous solution.
- the particle diameter in an aqueous medium of R-3 (degree of neutralization 70 mol%) was measured after adjusting the neutralization degree of 90 mol% by LiOH ⁇ H 2 O.
- NMP N-methylpyrrolidone
- 100 parts of lithium iron phosphate (LFP) as the positive electrode active material 100 parts of lithium iron phosphate (LFP) as the positive electrode active material, 0.2 parts of carbon nanotubes as the conductive agent, 2 parts of Ketjen black, and vapor layer carbon fiber (VGCF).
- VGCF vapor layer carbon fiber
- PVDF polyvinylidene fluoride
- the mixture was punched 3 cm square to obtain a positive electrode plate.
- a lithium ion secondary battery of a laminated cell was produced.
- the electrolytic solution one in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.0 mol / liter in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 25:75 was used.
- the performance of the coating film obtained from the above slurry composition was evaluated by measuring the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery.
- the lithium-ion secondary battery of the laminated cell produced by the above procedure is charged / discharged at a charge / discharge rate of 0.2 C under the condition of 2.7 to 3.4 V by CC discharge, and the initial capacity is increased. C0 was measured. Further, charging and discharging were repeated in an environment of 25 ° C., and the capacity C50 after 50 cycles was measured.
- the cycle characteristic ( ⁇ C) calculated by the following formula was 91.8%, and the cycle characteristic based on the following criteria was evaluated as “ ⁇ ”. The higher the value of ⁇ C, the better the cycle characteristics.
- ⁇ C C50 / C0 ⁇ 100 (%) ⁇ Evaluation criteria> ⁇ : Charge / discharge capacity retention rate is 95.0% or more ⁇ : Charge / discharge capacity retention rate is 90.0% or more and less than 95.0% ⁇ : Charge / discharge capacity retention rate is 85.0% or more and less than 90.0% ⁇ : Charge / discharge capacity retention rate is less than 85.0%
- Examples 2 to 15 and Comparative Examples 1 to 2 Evaluation of a composition containing carboxyl group-containing crosslinked polymer salts R-2 to R-17
- a slurry composition was prepared by performing the same operation as in Example 1 except that the carboxyl group-containing crosslinked polymer salt was as shown in Table 1, and the viscosity of the composition was measured.
- the coatability of the composition and the cycle characteristics of the secondary battery obtained by using the composition were evaluated. The results are shown in Table 1.
- the composition containing the carboxyl group-containing crosslinked polymer or a salt thereof obtained by the production method of the present invention is excellent in both coatability and coating performance, it is a thickener for cosmetics, a viscosity modifier, and non-water. It is expected to be applied to various applications such as binders for electrolyte secondary battery electrodes, sedimentation inhibitors for pigments, and dispersion stabilizers for metal powders.
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Abstract
本発明は、カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩を含む組成物の塗工性及び塗膜性能を両立させる事できる、当該架橋重合体又はその塩の製造方法を提供する。 カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法であって、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、沈殿重合若しくは分散重合により、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する工程を備え、前記交換連鎖移動機構型制御剤が、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体、及び/又は、当該重合体以外の交換連鎖移動機構型制御剤である、製造方法。
Description
本発明は、カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法に関する。
カルボキシル基含有重合体は、化粧品用の増粘剤や粘度調整剤、非水電解質二次電池電極用のバインダー、顔料用の沈降防止剤、金属粉の分散安定剤等の様々な用途に利用されている。
これらの用途の中でも、化粧品用の増粘剤としては、カルボキシル基含有重合体が直鎖のときは曳糸性を有し、ベタツキが感じられるが、架橋度を高めていくにつれて曳糸性は減少し、みずみずしさが感じられるようになるという特徴を備えている。そのため、曳糸性が不要でみずみずしさが求められる化粧品では、少量の使用で高い増粘性が得られるという利点から、カルボキシル基含有架橋重合体が用いられる場合が多い。また、リチウムイオン二次電池電極用バインダーとしても、良好な結着性及びサイクル特性を付与し得る利点から、カルボキシル基含有架橋重合体が用いられる場合が多い。
これらの用途の中でも、化粧品用の増粘剤としては、カルボキシル基含有重合体が直鎖のときは曳糸性を有し、ベタツキが感じられるが、架橋度を高めていくにつれて曳糸性は減少し、みずみずしさが感じられるようになるという特徴を備えている。そのため、曳糸性が不要でみずみずしさが求められる化粧品では、少量の使用で高い増粘性が得られるという利点から、カルボキシル基含有架橋重合体が用いられる場合が多い。また、リチウムイオン二次電池電極用バインダーとしても、良好な結着性及びサイクル特性を付与し得る利点から、カルボキシル基含有架橋重合体が用いられる場合が多い。
ここで、カルボキシル基含有架橋重合体の製造方法としては、沈殿重合法や分散重合法等の種々の方法が知られている。
沈殿重合法は、重合性モノマーは溶媒に溶解するが、得られるポリマーは溶媒に不溶で析出する系で架橋重合体を得る重合法であり、数μm~数100μmの粒子が一般的に得られる。例えば、特許文献1では、カルボキシル基含有架橋重合体として、沈殿重合により、微架橋化したアクリル酸系重合体を製造し、リチウムイオン二次電池電極用バインダーへの利用を試みている。
また、分散重合法は、沈殿重合に分散安定剤等を利用することで一次粒子のまま架橋重合体を得る方法であって、重合性モノマー、溶媒、並びに、分散安定剤の種類及び添加量により、生成微粒子の粒子径制御が可能な重合法であり、サブミクロン~数μmサイズの粒子を得るのに好適である。例えば、特許文献2では、カルボキシル基含有架橋重合体として、分散重合により、微架橋化したアクリル酸系重合体を製造し、リチウムイオン二次電池電極用バインダーへの利用を試みている。
しかしながら、発明者らの検討によれば、スラリー中の粒子のバインダー(例えば、リチウムイオン二次電池電極スラリー中の活物質のバインダー)として、特許文献1及び2に記載の沈殿重合法や分散重合法により製造される微架橋化したアクリル酸系重合体を用いる場合、アクリル酸系重合体の微架橋化によって、スラリー中の粒子間の結着性を高めることができる一方で、当該重合体の水中での拡がりが増して少量の添加でも粘度が大きく上昇するため、スラリー粘度の低減には限界があり、塗工性と塗膜性能(例えば、リチウムイオン二次電池のサイクル特性)を両立できず問題となる事があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩を含む組成物の塗工性及び塗膜性能を両立させる事ができる、当該架橋重合体又はその塩の製造方法を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、沈殿重合若しくは分散重合により、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する工程を備える、製造方法により得られる、カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩を用いることによって、当該架橋重合体又はその塩を含む組成物の塗工性を確保しつつ、優れた塗膜性能を発揮することができることを見出し、本発明を完成した。
本発明は以下の通りである。
〔1〕カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法であって、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、沈殿重合若しくは分散重合により、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する工程を備え、前記交換連鎖移動機構型制御剤が、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体、及び/又は、当該重合体以外の交換連鎖移動機構型制御剤である、製造方法。
〔2〕前記交換連鎖移動機構型制御剤が、可逆的付加開裂型連鎖移動剤(RAFT剤)である、〔1〕に記載の製造方法。
〔3〕前記可逆的付加開裂型連鎖移動剤が、分子内にトリチオカーボネート基を有するものである、〔2〕に記載の製造方法。
〔4〕前記交換連鎖移動機構型制御剤の使用量が、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分の総量に対して0.0001~0.50モル%である〔1〕~〔3〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔5〕前記単量体成分は、その総量に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を50質量%以上100質量%以下含む、〔1〕~〔4〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔6〕前記架橋重合体は、架橋性単量体により架橋されたものであり、当該架橋性単量体の使用量が非架橋性単量体の総量100質量部に対して0.1質量部以上2.0質量部以下である、〔1〕~〔5〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔7〕前記架橋重合体又はその塩は、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上5.0μm以下である、〔1〕~〔6〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔8〕前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が20以上80以下である、〔1〕~〔7〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔1〕カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法であって、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、沈殿重合若しくは分散重合により、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する工程を備え、前記交換連鎖移動機構型制御剤が、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体、及び/又は、当該重合体以外の交換連鎖移動機構型制御剤である、製造方法。
〔2〕前記交換連鎖移動機構型制御剤が、可逆的付加開裂型連鎖移動剤(RAFT剤)である、〔1〕に記載の製造方法。
〔3〕前記可逆的付加開裂型連鎖移動剤が、分子内にトリチオカーボネート基を有するものである、〔2〕に記載の製造方法。
〔4〕前記交換連鎖移動機構型制御剤の使用量が、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分の総量に対して0.0001~0.50モル%である〔1〕~〔3〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔5〕前記単量体成分は、その総量に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を50質量%以上100質量%以下含む、〔1〕~〔4〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔6〕前記架橋重合体は、架橋性単量体により架橋されたものであり、当該架橋性単量体の使用量が非架橋性単量体の総量100質量部に対して0.1質量部以上2.0質量部以下である、〔1〕~〔5〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔7〕前記架橋重合体又はその塩は、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上5.0μm以下である、〔1〕~〔6〕のいずれか一に記載の製造方法。
〔8〕前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が20以上80以下である、〔1〕~〔7〕のいずれか一に記載の製造方法。
本発明の製造方法により得られるカルボキシル基含有架橋重合体又はその塩によれば、当該架橋重合体又はその塩を含む組成物の塗工性及び塗膜性能を両立させる事できる。
本発明は、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を沈殿重合若しくは分散重合することにより、カルボキシル基含有架橋重合体(以下、「本架橋重合体」ともいう。)又はその塩を製造する工程を備える、製造方法である。
以下に、本発明について詳細に説明する。
尚、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及び/又はメタクリルを意味し、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。また、「(メタ)アクリロイル基」とは、アクリロイル基及び/又はメタクリロイル基を意味する。
尚、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及び/又はメタクリルを意味し、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレート及び/又はメタクリレートを意味する。また、「(メタ)アクリロイル基」とは、アクリロイル基及び/又はメタクリロイル基を意味する。
1.本架橋重合体の構造単位
<エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位>
本架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位(以下、「(a)成分」ともいう。)を有し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を沈殿重合若しくは分散重合することにより重合体に導入することができる。本架橋重合体が、係る構造単位を有することによりカルボキシル基を有することで、基材への接着性が向上するとともに、水膨潤性が付与されるため、本架橋重合体又はその塩を含む組成物(以下、「本組成物」ともいう。)の安定性を高めることができる。特に、リチウムイオン二次電池用途では、基材である集電体への接着性が向上するとともに、リチウムイオンの脱溶媒和効果及びイオン伝導性に優れるため、抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。
<エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位>
本架橋重合体は、エチレン性不飽和カルボン酸単量体に由来する構造単位(以下、「(a)成分」ともいう。)を有し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を沈殿重合若しくは分散重合することにより重合体に導入することができる。本架橋重合体が、係る構造単位を有することによりカルボキシル基を有することで、基材への接着性が向上するとともに、水膨潤性が付与されるため、本架橋重合体又はその塩を含む組成物(以下、「本組成物」ともいう。)の安定性を高めることができる。特に、リチウムイオン二次電池用途では、基材である集電体への接着性が向上するとともに、リチウムイオンの脱溶媒和効果及びイオン伝導性に優れるため、抵抗が小さく、ハイレート特性に優れた電極が得られる。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体としては、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸;(メタ)アクリルアミドヘキサン酸及び(メタ)アクリルアミドドデカン酸等の(メタ)アクリルアミドアルキルカルボン酸;コハク酸モノヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ω-カルボキシ-カプロラクトンモノ(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体又はそれらの(部分)アルカリ中和物が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記の中でも、重合速度が大きいために一次鎖長の長い重合体が得られ、本架橋重合体の接着力が良好となる点で重合性官能基としてアクリロイル基を有する化合物が好ましく、特に好ましくはアクリル酸である。エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてアクリル酸を用いた場合、カルボキシル基含有量の高い重合体を得ることができる。
本架橋重合体における(a)成分の含有量は、特に限定するものではないが、例えば、本架橋重合体の全構造単位に対して10質量%以上、100質量%以下含むことができる。かかる範囲で(a)成分を含有することで、基材に対する優れた接着性を容易に確保することができる。下限は、例えば20質量%以上であり、また例えば30質量%以上であり、また例えば40質量%以上である。下限が50質量%以上の場合、本組成物の分散安定性が良好となり、より高い結着力が得られるため好ましく、60質量%以上であってもよく、70質量%以上であってもよく、80質量%以上であってもよい。また、上限は、例えば、99.9質量%以下であり、また例えば99.5質量%以下であり、また例えば99質量%以下であり、また例えば98質量%以下であり、また例えば95質量%以下であり、また例えば90質量%以下であり、また例えば80質量%以下である。範囲としては、こうした下限及び上限を適宜組み合わせた範囲とすることができるが、例えば、10質量%以上、100質量%以下であり、また例えば50質量%以上、100質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99.9質量%以下であり、また例えば50質量%以上、99質量%以下であり、また例えば50質量%以上、98質量%以下などとすることができる。
<その他の構造単位>
本架橋重合体は、(a)成分以外に、これらと共重合可能な他のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位(以下、「(b)成分」ともいう。)を含むことができる。(b)成分としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、又は非イオン性のエチレン性不飽和単量体等に由来する構造単位が挙げられる。これらの構造単位は、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、又は非イオン性のエチレン性不飽和単量体を含む単量体を共重合することにより導入することができる。
本架橋重合体は、(a)成分以外に、これらと共重合可能な他のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位(以下、「(b)成分」ともいう。)を含むことができる。(b)成分としては、例えば、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、又は非イオン性のエチレン性不飽和単量体等に由来する構造単位が挙げられる。これらの構造単位は、スルホン酸基及びリン酸基等のカルボキシル基以外のアニオン性基を有するエチレン性不飽和単量体化合物、又は非イオン性のエチレン性不飽和単量体を含む単量体を共重合することにより導入することができる。
(b)成分の割合は、本架橋重合体の全構造単位に対し、0質量%以上、90質量%以下とすることができる。(b)成分の割合は、1質量%以上、60質量%以下であってもよく、2質量%以上、50質量%以下であってもよく、5質量%以上、40質量%以下であってもよく、10質量%以上、30質量%以下であってもよい。また、特に、リチウムイオン二次電池用途では、本架橋重合体の全構造単位に対して(b)成分を1質量%以上含む場合、電解液への親和性が向上するため、リチウムイオン伝導性が向上する効果も期待できる。
(b)成分としては、前記した中でも、耐屈曲性が良好な塗膜が得られる観点から非イオン性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位が好ましく、非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、(メタ)アクリルアミド及びその誘導体、ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体、脂環構造含有エチレン性不飽和単量体、水酸基含有エチレン性不飽和単量体等が挙げられる。
(メタ)アクリルアミド誘導体としては、例えば、イソプロピル(メタ)アクリルアミド、t-ブチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルキル(メタ)アクリルアミド化合物;N-n-ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド、N-イソブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等のN-アルコキシアルキル(メタ)アクリルアミド化合物;ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジエチル(メタ)アクリルアミド等のN,N-ジアルキル(メタ)アクリルアミド化合物が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクロリニトリル;(メタ)アクリル酸シアノメチル、(メタ)アクリル酸シアノエチル等の(メタ)アクリル酸シアノアルキルエステル化合物;4-シアノスチレン、4-シアノ-α-メチルスチレン等のシアノ基含有不飽和芳香族化合物;シアン化ビニリデン等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記の中でも、ニトリル基含有量が多い点でアクリロニトリルが好ましい。
脂環構造含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸シクロペンチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸t-ブチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロデシル及び(メタ)アクリル酸シクロドデシル等の脂肪族置換基を有していてもよい(メタ)アクリル酸シクロアルキルエステル;(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸アダマンチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンテニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、並びに、シクロヘキサンジメタノールモノ(メタ)アクリレート及びシクロデカンジメタノールモノ(メタ)アクリレート等のシクロアルキルポリアルコールモノ(メタ)アクリレート等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
水酸基含有エチレン性不飽和単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピル及び(メタ)アクリル酸ヒドロキシブチル等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
本架橋重合体又はその塩は、スラリー中の粒子との結着性が優れる点で、(メタ)アクリルアミド及びその誘導体、並びに、ニトリル基含有エチレン性不飽和単量体、脂環構造含有エチレン性不飽和単量体等に由来する構造単位を含むことが好ましい。
また、特に、リチウムイオン二次電池用途では、(b)成分として、水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を導入した場合、電極材料と強い相互作用を奏することができ、活物質に対して良好な結着性を発揮することができる。これにより、堅固で一体性の良好な電極合剤層を得ることができるため、前記した「水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体」としては、特に脂環構造含有エチレン性不飽和単量体が好ましい。
さらに、特に、リチウムイオン二次電池用途では、得られる二次電池のサイクル特性が向上する点で、(b)成分として、水酸基含有エチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を含むことが好ましく、当該構造単位を0.5質量%以上、70質量%以下含むことが好ましく、2.0質量%以上、50質量%以下含むことがより好ましく、10.0質量%以上、50質量%以下含むことがさらに好ましい。
また、特に、リチウムイオン二次電池用途では、(b)成分として、水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を導入した場合、電極材料と強い相互作用を奏することができ、活物質に対して良好な結着性を発揮することができる。これにより、堅固で一体性の良好な電極合剤層を得ることができるため、前記した「水中への溶解性が1g/100ml以下の疎水性のエチレン性不飽和単量体」としては、特に脂環構造含有エチレン性不飽和単量体が好ましい。
さらに、特に、リチウムイオン二次電池用途では、得られる二次電池のサイクル特性が向上する点で、(b)成分として、水酸基含有エチレン性不飽和単量体に由来する構造単位を含むことが好ましく、当該構造単位を0.5質量%以上、70質量%以下含むことが好ましく、2.0質量%以上、50質量%以下含むことがより好ましく、10.0質量%以上、50質量%以下含むことがさらに好ましい。
また、その他の非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、例えば(メタ)アクリル酸エステルを用いてもよい。(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル化合物;
(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸フェニルメチル、(メタ)アクリル酸フェニルエチル等の芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物;
(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2-エトキシエチル等の(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸フェニルメチル、(メタ)アクリル酸フェニルエチル等の芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物;
(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル、(メタ)アクリル酸2-エトキシエチル等の(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル化合物等が挙げられ、これらの内の1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
スラリー中の粒子との結着性及び塗膜性能の観点からは、芳香族(メタ)アクリル酸エステル化合物を好ましく用いることができる。リチウムイオン伝導性及びハイレート特性がより向上する観点から、(メタ)アクリル酸2-メトキシエチル及び(メタ)アクリル酸2-エトキシエチルなどの(メタ)アクリル酸アルコキシアルキルエステル等、エーテル結合を有する化合物が好ましく、(メタ)アクリル酸2-メトキシエチルがより好ましい。
非イオン性のエチレン性不飽和単量体の中でも、重合速度が速いために一次鎖長の長い重合体が得られ、本架橋重合体の接着力が良好となる点でアクリロイル基を有する化合物が好ましい。また、非イオン性のエチレン性不飽和単量体としては、得られる塗膜の耐屈曲性が良好となる点でホモポリマーのガラス転移温度(Tg)が0℃以下の化合物が好ましい。
本架橋重合体は、当該重合体中に含まれるカルボキシル基の一部又は全部が中和された塩の形態であってもよい。塩の種類としては特に限定しないが、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩;カルシウム塩及びバリウム塩等のアルカリ土類金属塩;マグネシウム塩、アルミニウム塩等のその他の金属塩;アンモニウム塩及び有機アミン塩等が挙げられる。特に、リチウムイオン二次電池用途では、これらの中でも電池特性への悪影響が生じにくい点からアルカリ金属塩及びマグネシウム塩が好ましく、アルカリ金属塩がより好ましい。
本架橋重合体は、架橋構造を有する架橋重合体である。本架橋重合体における架橋方法は特に制限されるものではなく、例えば以下の方法による態様が例示される。
1)架橋性単量体の共重合
2)ラジカル重合時のポリマー鎖への連鎖移動を利用
3)反応性官能基を有する重合体を合成後、必要に応じて架橋剤を添加して後架橋
本架橋重合体が架橋構造を有することにより、当該架橋重合体又はその塩は、優れた接着力を有することができる。上記の内でも、操作が簡便であり、架橋の程度を制御し易い点から架橋性単量体の共重合による方法が好ましい。
1)架橋性単量体の共重合
2)ラジカル重合時のポリマー鎖への連鎖移動を利用
3)反応性官能基を有する重合体を合成後、必要に応じて架橋剤を添加して後架橋
本架橋重合体が架橋構造を有することにより、当該架橋重合体又はその塩は、優れた接着力を有することができる。上記の内でも、操作が簡便であり、架橋の程度を制御し易い点から架橋性単量体の共重合による方法が好ましい。
<架橋性単量体>
架橋性単量体としては、2個以上の重合性不飽和基を有する多官能重合性単量体、及び加水分解性シリル基等の自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体等が挙げられる。
架橋性単量体としては、2個以上の重合性不飽和基を有する多官能重合性単量体、及び加水分解性シリル基等の自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体等が挙げられる。
上記多官能重合性単量体は、(メタ)アクリロイル基、アルケニル基等の重合性官能基を分子内に2つ以上有する化合物であり、多官能(メタ)アクリレート化合物、多官能アルケニル化合物、(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物等が挙げられる。これらの化合物は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの内でも、均一な架橋構造を得やすい点で多官能アルケニル化合物が好ましく、分子内に2個以上のアリルエーテル基を有する多官能アリルエーテル化合物が特に好ましい。
多官能(メタ)アクリレート化合物としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等の2価アルコールのジ(メタ)アクリレート類;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性体のトリ(メタ)アクリレート、グリセリントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等の3価以上の多価アルコールのトリ(メタ)アクリレート、テトラ(メタ)アクリレート等のポリ(メタ)アクリレート;メチレンビスアクリルアミド、ヒドロキシエチレンビスアクリルアミド等のビスアミド類等を挙げることができる。
多官能アルケニル化合物としては、トリメチロールプロパンジアリルエーテル、トリメチロールプロパントリアリルエーテル、ペンタエリスリトールジアリルエーテル、ペンタエリスリトールトリアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、ポリアリルサッカロース等の多官能アリルエーテル化合物;ジアリルフタレート等の多官能アリル化合物;ジビニルベンゼン等の多官能ビニル化合物等を挙げることができる。
(メタ)アクリロイル基及びアルケニル基の両方を有する化合物としては、(メタ)アクリル酸アリル、(メタ)アクリル酸イソプロペニル、(メタ)アクリル酸ブテニル、(メタ)アクリル酸ペンテニル、(メタ)アクリル酸2-(2-ビニロキシエトキシ)エチル等を挙げることができる。
上記自己架橋可能な架橋性官能基を有する単量体の具体的な例としては、加水分解性シリル基含有ビニル単量体、N-メチロール(メタ)アクリルアミド、N-メトキシアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらの化合物は、1種単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
加水分解性シリル基含有ビニル単量体としては、加水分解性シリル基を少なくとも1個有するビニル単量体であれば、特に限定されない。例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルジメチルメトキシシランン等のビニルシラン類;アクリル酸トリメトキシシリルプロピル、アクリル酸トリエトキシシリルプロピル、アクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル等のシリル基含有アクリル酸エステル類;メタクリル酸トリメトキシシリルプロピル、メタクリル酸トリエトキシシリルプロピル、メタクリル酸メチルジメトキシシリルプロピル、メタクリル酸ジメチルメトキシシリルプロピル等のシリル基含有メタクリル酸エステル類;トリメトキシシリルプロピルビニルエーテル等のシリル基含有ビニルエーテル類;トリメトキシシリルウンデカン酸ビニル等のシリル基含有ビニルエステル類等を挙げることができる。
本架橋重合体が架橋性単量体により架橋されたものである場合、当該架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量100質量部に対して好ましくは0.05質量部以上5.0質量部以下であり、より好ましくは0.1質量部以上5.0質量部以下であり、さらに好ましくは0.2質量部以上4.0質量部以下であり、一層好ましくは0.3質量部以上3.0質量部以下である。架橋性単量体の使用量が0.05質量部以上であれば、接着力及び本組成物の安定性がより良好となる点で好ましい。5.0質量部以下であれば、沈殿重合若しくは分散重合の安定性が高くなる傾向がある。
同様に、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量に対して0.02~1.7モル%であることが好ましく、0.10~1.0モル%であることがより好ましい。
同様に、上記架橋性単量体の使用量は、架橋性単量体以外の単量体(非架橋性単量体)の総量に対して0.02~1.7モル%であることが好ましく、0.10~1.0モル%であることがより好ましい。
2.本架橋重合体の製造方法
本架橋重合体は、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、上記エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分(以下、「本単量体」ともいう。)を沈殿重合又は分散重合することにより得られる。
ここで、沈殿重合は、原料である単量体を溶解するが、生成する重合体を実質溶解しない溶媒中で重合反応を行うことにより重合体を製造する方法である。重合の進行とともにポリマー粒子は凝集及び成長により大きくなり、数十nm~数百nmの一次粒子が数μm~数十μmに二次凝集したポリマー粒子の分散液が得られる。ポリマーの粒子サイズを制御するために分散安定剤を使用することもできる。
尚、分散安定剤や重合溶剤等を選定することにより上記二次凝集を抑制することもできる。一般に、二次凝集を抑制した沈殿重合は、分散重合とも呼ばれる。
本架橋重合体は、交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、上記エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分(以下、「本単量体」ともいう。)を沈殿重合又は分散重合することにより得られる。
ここで、沈殿重合は、原料である単量体を溶解するが、生成する重合体を実質溶解しない溶媒中で重合反応を行うことにより重合体を製造する方法である。重合の進行とともにポリマー粒子は凝集及び成長により大きくなり、数十nm~数百nmの一次粒子が数μm~数十μmに二次凝集したポリマー粒子の分散液が得られる。ポリマーの粒子サイズを制御するために分散安定剤を使用することもできる。
尚、分散安定剤や重合溶剤等を選定することにより上記二次凝集を抑制することもできる。一般に、二次凝集を抑制した沈殿重合は、分散重合とも呼ばれる。
交換連鎖移動機構型制御剤について
本発明に係る交換連鎖移動機構型制御剤としては、可逆的付加-開裂連鎖移動重合法(RAFT法)における制御剤(以下、「RAFT剤」ともいう。)、ヨウ素移動重合法における制御剤、有機テルル化合物を用いる重合法(TERP法)における制御剤、有機アンチモン化合物を用いる重合法(SBRP法)における制御剤、有機ビスマス化合物を用いる重合法(BIRP法)における制御剤等が挙げられる。交換連鎖移動機構型制御剤としては、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体(以下、単に「第1の重合体」ともいう。後記の段落[0052]~[0078]で詳述する。)、当該重合体以外の制御剤を用いることができる。第1の重合体、当該重合体以外の制御剤は、それぞれ単独で用いても良いし、併用しても良い。
交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、本単量体を沈殿重合又は分散重合することで、一次鎖長が短くなるとともに、鎖長が揃うことで均一な架橋構造を形成するため、本架橋重合体の水膨潤度を高くすることが可能となる。これに伴い、組成物粘度の低減による良好な塗工性と優れた塗膜性能を両立させることができるものと推定される。
これらの中でも、本架橋重合体の架橋構造をより均一にすることができる点で、RAFT剤及びヨウ素移動重合法における制御剤が好ましく、RAFT剤がより好ましい。
本発明に係る交換連鎖移動機構型制御剤としては、可逆的付加-開裂連鎖移動重合法(RAFT法)における制御剤(以下、「RAFT剤」ともいう。)、ヨウ素移動重合法における制御剤、有機テルル化合物を用いる重合法(TERP法)における制御剤、有機アンチモン化合物を用いる重合法(SBRP法)における制御剤、有機ビスマス化合物を用いる重合法(BIRP法)における制御剤等が挙げられる。交換連鎖移動機構型制御剤としては、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体(以下、単に「第1の重合体」ともいう。後記の段落[0052]~[0078]で詳述する。)、当該重合体以外の制御剤を用いることができる。第1の重合体、当該重合体以外の制御剤は、それぞれ単独で用いても良いし、併用しても良い。
交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、本単量体を沈殿重合又は分散重合することで、一次鎖長が短くなるとともに、鎖長が揃うことで均一な架橋構造を形成するため、本架橋重合体の水膨潤度を高くすることが可能となる。これに伴い、組成物粘度の低減による良好な塗工性と優れた塗膜性能を両立させることができるものと推定される。
これらの中でも、本架橋重合体の架橋構造をより均一にすることができる点で、RAFT剤及びヨウ素移動重合法における制御剤が好ましく、RAFT剤がより好ましい。
RAFT剤としては、可逆的付加-開裂連鎖移動法によるリビングラジカル重合活性単位を有する第1の重合体(後記に詳述)、及び/又は、当該第1の重合体以外のRAFT剤(ジチオエステル化合物、キサンテート化合物、トリチオカーボネート化合物、ジチオカーバメート化合物等)を使用することができる。
上記第1の重合体以外のRAFT剤としては、具体的には、例えば、2-シアノ-2-プロピルベンゾジチオエート、2-フェニル-2-プロピルベンゾジチオエート、トリチオカーボネート、2-シアノ-2-プロピルドデシルトリチオカーボネート、2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)プロピオン酸、3-((1-カルボキシエチルチオ)カルボノチオイルチオ))プロピオン酸、2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)-2-メチルプロパン酸メチル、1,4-ビス(n-ドデシルスルファニルチオカルボニルスルファニルメチル)ベンゼン、ジベンジルトリチオカーボネート、ジスチリルトリチオカーボネート、ジクミルトリチオカーボネート、シアノメチル-N-メチル-N-フェニルジチオカーバメート等が挙げられる。
RAFT剤の中では、本架橋重合体の架橋構造をより一層均一にすることができる点で、分子内にトリチオカーボネートを有するものが特に好ましい。
上記第1の重合体以外のRAFT剤としては、具体的には、例えば、2-シアノ-2-プロピルベンゾジチオエート、2-フェニル-2-プロピルベンゾジチオエート、トリチオカーボネート、2-シアノ-2-プロピルドデシルトリチオカーボネート、2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)プロピオン酸、3-((1-カルボキシエチルチオ)カルボノチオイルチオ))プロピオン酸、2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)-2-メチルプロパン酸メチル、1,4-ビス(n-ドデシルスルファニルチオカルボニルスルファニルメチル)ベンゼン、ジベンジルトリチオカーボネート、ジスチリルトリチオカーボネート、ジクミルトリチオカーボネート、シアノメチル-N-メチル-N-フェニルジチオカーバメート等が挙げられる。
RAFT剤の中では、本架橋重合体の架橋構造をより一層均一にすることができる点で、分子内にトリチオカーボネートを有するものが特に好ましい。
ヨウ素移動重合法における制御剤は、ヨウ素移動重合法によるリビングラジカル活性単位を有する第1の重合体(後記に詳述)、及び/又は、当該第1の重合体以外の制御剤を使用することができる。
上記第1の重合体以外の制御剤としては、具体的には、例えば、ヨウ化メチル、ヨウ化メチレン、ヨードホルム、四ヨウ化炭素、1-フェニルエチルヨージド、ベンジルヨージド等のアルキル基の炭素数が1~20のパフルオロアルキルパーフルオロアルキルヨージド、2-ヨードプロピオン酸エチル、2-ヨードイソ酪酸メチル、2-ヨードイソ酪酸エチル、2-ヨード-2-フェニル酢酸エチル、ビス(2-ヨード-2-フェニル酢酸)エチレングリコール、ビス(2-ヨードイソ酪酸)エチレングリコール、1,5-ジヨード-2,4-ジメチルベンゼン、2-ヨードプロピオニトリル等が挙げられる。
上記第1の重合体以外の制御剤としては、具体的には、例えば、ヨウ化メチル、ヨウ化メチレン、ヨードホルム、四ヨウ化炭素、1-フェニルエチルヨージド、ベンジルヨージド等のアルキル基の炭素数が1~20のパフルオロアルキルパーフルオロアルキルヨージド、2-ヨードプロピオン酸エチル、2-ヨードイソ酪酸メチル、2-ヨードイソ酪酸エチル、2-ヨード-2-フェニル酢酸エチル、ビス(2-ヨード-2-フェニル酢酸)エチレングリコール、ビス(2-ヨードイソ酪酸)エチレングリコール、1,5-ジヨード-2,4-ジメチルベンゼン、2-ヨードプロピオニトリル等が挙げられる。
交換連鎖移動機構型制御剤は、活性点を1個所備える1官能性のものであってもよいし、2個所以上備える2官能性以上のものを用いることもできる。2官能性以上の交換連鎖移動機構型制御剤は、2方向性以上に重合鎖が伸長するものである。本架橋重合体の製造の観点からは、2官能性又は3官能性以上の交換連鎖移動機構型制御剤を用いることが好適な場合がある。
交換連鎖移動機構型制御剤の使用量としては、架橋重合体の架橋構造をより均一にすることができる点で、本単量体の総量に対して0.0001~0.50モル%であることが好ましく、0.0001~0.40モル%であることがより好ましく、0.0001~0.30モル%であることがさらに好ましく、0.0002~0.30モル%であることがより一層好ましい。
交換連鎖移動機構型制御剤とともに用いる重合開始剤としては、アゾ系化合物、有機過酸化物、無機過酸化物等の公知の重合開始剤を用いることができるが、特に限定されるものではない。熱開始、還元剤を併用したレドックス開始、UV開始等、公知の方法で適切なラジカル発生量となるように使用条件を調整することができる。一次鎖長の長い本架橋重合体を得るためには、製造時間が許容される範囲内で、ラジカル発生量がより少なくなるように条件を設定することが好ましい。
前記の重合開始剤の中でも、安全上取り扱い易く、ラジカル重合時の副反応が起こりにくい点からは、アゾ化合物が好ましい。上記アゾ化合物の具体例としては、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、ジメチル-2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオネート)、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、2,2’-アゾビス[N-(2-プロペニル)-2-メチルプロピオンアミド]、2,2’-アゾビス(N-ブチル-2-メチルプロピオンアミド)等が挙げられる。上記ラジカル重合開始剤は1種類のみ使用しても又は2種以上を併用してもよい。
前記の重合開始剤の中でも、安全上取り扱い易く、ラジカル重合時の副反応が起こりにくい点からは、アゾ化合物が好ましい。上記アゾ化合物の具体例としては、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、ジメチル-2,2’-アゾビス(2-メチルプロピオネート)、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、2,2’-アゾビス[N-(2-プロペニル)-2-メチルプロピオンアミド]、2,2’-アゾビス(N-ブチル-2-メチルプロピオンアミド)等が挙げられる。上記ラジカル重合開始剤は1種類のみ使用しても又は2種以上を併用してもよい。
重合開始剤の好ましい使用量は、用いる単量体成分の総量を100質量部としたときに、例えば、0.001~2質量部であり、また例えば、0.005~1質量部であり、また例えば、0.01~0.1質量部である。重合開始剤の使用量が0.001質量部以上であれば重合反応を安定的に行うことができ、2質量部以下であれば一次鎖長の長い重合体を得やすい。
重合開始剤の使用割合は特に制限されないが、本架橋重合体の架橋構造を均一にすることができる点から、上記交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する上記重合開始剤の使用量を0.5mol以下とすることが好ましく、0.2mol以下とするのがより好ましい。また、重合反応を安定的に行う観点から、交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する重合開始剤の使用量の下限は、0.001molである。よって、交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する重合開始剤の使用量は、0.001mol以上0.5mol以下の範囲が好ましく、0.005mol以上0.2mol以下の範囲がより好ましい。
重合開始剤の使用割合は特に制限されないが、本架橋重合体の架橋構造を均一にすることができる点から、上記交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する上記重合開始剤の使用量を0.5mol以下とすることが好ましく、0.2mol以下とするのがより好ましい。また、重合反応を安定的に行う観点から、交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する重合開始剤の使用量の下限は、0.001molである。よって、交換連鎖移動機構型制御剤1molに対する重合開始剤の使用量は、0.001mol以上0.5mol以下の範囲が好ましく、0.005mol以上0.2mol以下の範囲がより好ましい。
重合溶媒は、使用する単量体の種類等を考慮して水及び各種有機溶剤等から選択される溶媒を使用することができる。より一次鎖長の長い重合体を得るためには、連鎖移動定数の小さい溶媒を使用することが好ましい。
具体的な重合溶媒としては、メタノール、t-ブチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル及びテトラヒドロフラン等の水溶性溶剤の他、ベンゼン、酢酸エチル、ジクロロエタン、n-ヘキサン、シクロヘキサン及びn-ヘプタン等が挙げられ、これらの1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。又は、これらと水との混合溶媒として用いてもよい。本発明において水溶性溶剤とは、20℃における水への溶解度が10g/100mlより大きいものを指す。
上記の内、粗大粒子の生成や反応器への付着が小さく重合安定性が良好であること、析出した架橋重合体が二次凝集しにくい(若しくは二次凝集が生じても水媒体中で解れやすい)こと、連鎖移動定数が小さく重合度(一次鎖長)の大きい重合体が得られること、及び後述する工程中和の際に操作が容易であること等の点で、メチルエチルケトン及びアセトニトリルが好ましい。
具体的な重合溶媒としては、メタノール、t-ブチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル及びテトラヒドロフラン等の水溶性溶剤の他、ベンゼン、酢酸エチル、ジクロロエタン、n-ヘキサン、シクロヘキサン及びn-ヘプタン等が挙げられ、これらの1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。又は、これらと水との混合溶媒として用いてもよい。本発明において水溶性溶剤とは、20℃における水への溶解度が10g/100mlより大きいものを指す。
上記の内、粗大粒子の生成や反応器への付着が小さく重合安定性が良好であること、析出した架橋重合体が二次凝集しにくい(若しくは二次凝集が生じても水媒体中で解れやすい)こと、連鎖移動定数が小さく重合度(一次鎖長)の大きい重合体が得られること、及び後述する工程中和の際に操作が容易であること等の点で、メチルエチルケトン及びアセトニトリルが好ましい。
また、同じく工程中和において中和反応を安定かつ速やかに進行させるため、重合溶媒中に高極性溶媒を少量加えておくことが好ましい。係る高極性溶媒としては、好ましくは水及びメタノールが挙げられる。高極性溶媒の使用量は、媒体の全質量に基づいて好ましくは0.05~20.0質量%であり、より好ましくは0.1~10.0質量%、さらに好ましくは0.1~5.0質量%であり、一層好ましくは0.1~1.0質量%である。高極性溶媒の割合が0.05質量%以上であれば、上記中和反応への効果が認められ、20.0質量%以下であれば重合反応への悪影響も見られない。また、アクリル酸等の親水性の高いエチレン性不飽和カルボン酸単量体の重合では、高極性溶媒を加えた場合には重合速度が向上し、一次鎖長の長い重合体を得やすくなる。高極性溶媒の中でも特に水は上記重合速度を向上させる効果が大きく好ましい。
交換連鎖移動機構型制御剤の存在下における重合反応の際の反応温度は、好ましくは30℃以上120℃以下であり、より好ましくは40℃以上110℃以下であり、さらに好ましくは50℃以上100℃以下である。反応温度が30℃以上であれば、重合反応を円滑に進めることができる。一方、反応温度が120℃以下であれば、副反応が抑制できるとともに、使用できる開始剤や溶剤に関する制限が緩和される。
重合工程を経て得られた架橋重合体の分散液は、乾燥工程において減圧及び/又は加熱処理等を行い溶媒留去することにより、目的とする架橋重合体を粉末状態で得ることができる。この際、上記乾燥工程の前に、未反応単量体(及びその塩)を除去する目的で、重合工程に引き続き、遠心分離及び濾過等の固液分離工程、有機溶剤又は有機溶剤/水の混合溶剤を用いた洗浄工程を備えることが好ましい。
上記洗浄工程を備えた場合、架橋重合体が二次凝集した場合であっても使用時に解れやすく、さらに残存する未反応単量体が除去されることにより、塗膜性能の点でも良好な性能を示す。
上記洗浄工程を備えた場合、架橋重合体が二次凝集した場合であっても使用時に解れやすく、さらに残存する未反応単量体が除去されることにより、塗膜性能の点でも良好な性能を示す。
本発明の製造方法では、エチレン性不飽和カルボン酸単量体として未中和又は部分中和塩を用いた場合、重合工程により得られた架橋重合体の分散液にアルカリ化合物を添加して重合体を中和(以下、「工程中和」ともいう)した後、乾燥工程で溶媒を除去してもよい。また、未中和若しくは部分中和塩状態のまま架橋重合体の粉末を得た後、スラリー組成物を調製する際にアルカリ化合物を添加して、重合体を中和(以下、「後中和」ともいう)してもよい。上記の内、工程中和の方が、二次凝集体が解れやすい傾向にあり好ましい。
ここで、交換連鎖移動機構型制御剤としては、前記の通り、1種又は2種以上のビニル系単量体(以下、単に、「第1の単量体」ともいう。)の重合鎖(以下、単に、「第1の重合鎖」ともいう。)と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体(第1の重合体)を用いることができる。
第1の重合体の存在下、本単量体を重合して本架橋重合体を製造するにあたって、第1の重合体を本単量体の重合の基点として用いるとともに、当該架橋重合体の重合溶媒中における分散安定剤として用いることができ、第1の重合体の重合鎖に対して、本単量体由来の構造単位を有する重合鎖を結合させた本架橋重合体を分散微粒子として得ることができる。こうすることで、重合安定性、すなわち、重合工程中の本架橋重合体の凝集を抑制して、粗大な凝集粒子の発生を抑制し、粒子径が小さく、かつ粒子径分布の狭い本架橋重合体を得ることができる。
第1の重合体の存在下、本単量体を重合して本架橋重合体を製造するにあたって、第1の重合体を分散安定剤として機能させるためには、例えば、第1の重合体を、本単量体の総質量100質量部に対して、0.3質量部以上50質量部以下用いることができる。かかる範囲で用いることで、第1の重合体を分散安定剤として機能させつつ、本単量体を主として含有する本架橋重合体を製造することができる。また、第1の重合体が0.3質量部未満であると、十分な分散安定効果が出にくく、本架橋重合体の粒子径が0.3μmを超えやすくなり、50質量部を超えても、分散安定剤としての機能性も向上しにくく、かつ本架橋重合体の小粒子径化の効果も小さくなってしまうからである。
第1の重合体は、本単量体の総質量100質量部に対して、また例えば、0.5質量部以上、また例えば、1質量部以上用いることができる。また、第1の重合体は、また例えば、40質量部以下、また例えば、30質量部以下、また例えば、20質量部以下用いることができる。第1の重合体の本単量体の総質量100質量部に対する使用量の範囲は、上記上限と下限を適宜組み合わせて設定できる。
第1の重合体の製造方法
公知の交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、第1の単量体を含む単量体組成物を重合することで、第1の単量体由来の構造単位を有する第1の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビング重合活性単位を備える第1の重合体を得ることができる。
公知の交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、第1の単量体を含む単量体組成物を重合することで、第1の単量体由来の構造単位を有する第1の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビング重合活性単位を備える第1の重合体を得ることができる。
第1の重合体を製造する際の重合条件は、当業者において周知であり、重合プロセスとしては、塊状重合、溶液重合、懸濁重合及び乳化重合等の各種プロセスが挙げられるが、本架橋重合体の製造における重合基点であることや分散安定剤的に機能することを考慮すると、例えば、溶液重合を用いることができる。また、交換連鎖移動機構制御剤の種類、重合開始剤の種類及び使用量、重合溶媒、反応温度等の重合条件は、前記の段落[0040]~[0043]及び[0045]~[0049]に準じて適宜選択され、交換連鎖移動機構制御剤の使用量は、目標とする第1の重合体の数平均分子量(Mn)に応じて適宜調整される。
交換連鎖移動機構制御剤としては、RAFT剤及びヨウ素移動重合法における制御剤が第1の重合体の分子量分布を小さくできる点で好ましい。
さらに、第1の重合体を製造する際の濃度は、重合溶媒と第1の単量体など仕込み量の総質量に対して、特に限定するものではないが、例えば、10質量%以上80質量%以下、また例えば、15質量%以上70質量%以下、また例えば、20質量%以上70質量%以下などとすることができる。
交換連鎖移動機構制御剤としては、RAFT剤及びヨウ素移動重合法における制御剤が第1の重合体の分子量分布を小さくできる点で好ましい。
さらに、第1の重合体を製造する際の濃度は、重合溶媒と第1の単量体など仕込み量の総質量に対して、特に限定するものではないが、例えば、10質量%以上80質量%以下、また例えば、15質量%以上70質量%以下、また例えば、20質量%以上70質量%以下などとすることができる。
典型的には、1官能性の交換連鎖移動機構型制御剤を用いた場合には、リビング重合活性単位を第1の重合鎖の末端に備える態様となり、2官能性以上の交換連鎖移機構型制御剤を用いた場合には、リビング重合活性単位を基点として2方向以上に分岐してそれぞれに第1の重合鎖を備える態様となる。なお、いずれの態様においても、別の重合鎖を備える場合には、この別の重合鎖が、リビング重合活性単位に直接結合され、リビング重合活性単位に対してより遠位側に第1の重合鎖が備えられるように、当該別の重合鎖の遠位末端に第1の重合鎖が結合された態様となっている。
第1の重合体は、2種以上の第1の重合鎖を備えることもできる。例えば、ある種の組成の1種又は2種以上の第1の単量体を用いてリビングラジカル重合等を実施後に、他の組成で1種又は2種以上の第1の単量体を用いてリビングラジカル重合等を実施することで、異なる組成の第1の単量体由来の構造単位を有する第1の重合鎖(ブロック)を備える第1の重合体を得ることができる。
第1の重合体の数平均分子量(Mn)は、特に限定するものではないが、例えば、3,000以上であり、また例えば、5,000以上であり、また例えば、7,000以上であり、また例えば、8,000以上であり、また例えば、10,000以上である。また、同Mnは、50,000以下であり、また例えば、30,000以下であり、また例えば、25,000以下であり、また例えば、20,000以下であり、また例えば、15,000以下であり、また例えば、14,000以下であり、また例えば、12,000以下である。Mnの範囲としては、上記した下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、5,000以上25,000以下であり、また例えば、10,000以上25,000以下であり、また例えば、10,000以上15,000以下であり、また例えば、10,000以上14,000以下である。
第1の重合体の重量平均分子量(Mw)は、特に限定するものではないが、例えば、5,000以上であり、また例えば、7,000以上であり、また例えば、9,000以上であり、また例えば、10,000以上であり、また例えば、13,000以上であり、また例えば、15,000以上である。また、同Mwは、60,000以下であり、また例えば、55,000以下であり、また例えば、50,000以下であり、また例えば、45,000以下であり、また例えば、40,000以下であり、また例えば、36,000以下であり、また例えば、35,000以下であり、また例えば、30,000以下であり、また例えば、25、000以下である。Mwの範囲としては、上記した下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、1,000以上40,000以下であり、また例えば、10,000以上35,000以下であり、また例えば、10,000以上30,000以下であり、また例えば、15,000以上25,000以下である。
なお、第1の重合体のMw及びMnは、いずれも、ポリスチレンを標準物質として用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィーにて測定することができる。クロマトグラフィー条件の詳細は、後段の実施例に開示する条件を採用することができる。
第1の重合体の分子量分布(Mw/Mn)は、特に限定するものではないが、例えば、2.5以下であり、また例えば、2.4以下であり、また例えば、2.3以下であり、また例えば、2.0以下であり、また例えば、1.6以下であり、また例えば、1.5以下であり、また例えば、1.4以下であり、また例えば、1.3以下である。また、分子量分布は、例えば、1.1以上であり、また例えば、1.2以上であり、また例えば、1.3以上であり、また例えば、1.4以上、また例えば、1.5以上である。分子量分布の範囲としては、上記した下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、1.1以上2.5以下、また例えば、1.1以上2.4以下、また例えば、1.1以上2.3以下、また例えば、1.1以上2.0以下などとすることができる。
第1の重合体の分子量分布は小さいほど、得られる本架橋重合体の粒子径が小さくなる傾向がある。分子量分布が2.4以下であることが好適であり、より小さい粒子径の本架橋重合体を得るには、同1.7以下であることが好適であり、さらに好適には、同1.6以下であり、一層好適には、1.4以下である。
<第1の単量体>
第1の単量体としては、例えば、スチレン類、(メタ)アクリロニトリル化合物、マレイミド化合物、不飽和酸無水物及び不飽和カルボン酸化合物が挙げられる。これらのうち1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
第1の単量体としては、例えば、スチレン類、(メタ)アクリロニトリル化合物、マレイミド化合物、不飽和酸無水物及び不飽和カルボン酸化合物が挙げられる。これらのうち1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
スチレン類としては、スチレン及びその誘導体が含まれる。具体的な化合物としては、スチレン、α-メチルスチレン、β-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、ビニルナフタレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、o-エチルスチレン、m-エチルスチレン、p-エチルスチレン、p-n-ブチルスチレン、p-イソブチルスチレン、p-t-ブチルスチレン、o-メトキシスチレン、m-メトキシスチレン、p-メトキシスチレン、o-クロロメチルスチレン、p-クロロメチルスチレン、o-クロロスチレン、p-クロロスチレン、o-ヒドロキシスチレン、m-ヒドロキシスチレン、p-ヒドロキシスチレン、ジビニルベンゼン等が例示され、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。これらの中でも、重合性の観点から、スチレン、o-メトキシスチレン、m-メトキシスチレン、p-メトキシスチレン、o-ヒドロキシスチレン、m-ヒドロキシスチレン、p-ヒドロキシスチレンが好ましい。
(メタ)アクリロニトリル化合物としては、(メタ)アクリロニトリル、アクリロ二トリル、α-メチルアクリロニトリル等が挙げられる。例えば、アクリロニトリルが用いられる。
マレイミド化合物としては、マレイミド化合物には、マレイミド及びN-置換マレイミド化合物が含まれる。N-置換マレイミド化合物の具体例としては、N-メチルマレイミド、N-エチルマレイミド、N-n-プロピルマレイミド、N-イソプロピルマレイミド、N-n-ブチルマレイミド、N-イソブチルマレイミド、N-tert-ブチルマレイミド、N-ペンチルマレイミド、N-ヘキシルマレイミド、N-ヘプチルマレイミド、N-オクチルマレイミド、N-ラウリルマレイミド、N-ステアリルマレイミド等のN-アルキル置換マレイミド化合物;N-シクロペンチルマレイミド、N-シクロヘキシルマレイミド等のN-シクロアルキル置換マレイミド化合物;N-フェニルマレイミド、N-(4-ヒドロキシフェニル)マレイミド、N-(4-アセチルフェニル)マレイミド、N-(4-メトキシフェニル)マレイミド、N-(4-エトキシフェニル)マレイミド、N-(4-クロロフェニル)マレイミド、N-(4-ブロモフェニル)マレイミド、N-ベンジルマレイミド等のN-アリール置換マレイミド化合物などが挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を用いることができる。例えば、N-フェニルマレイミドが用いられる。
また、不飽和酸無水物としては、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸等が挙げられ、これらのうち1種又は2種以上を用いることができる。
不飽和カルボン酸化合物としては、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、ケイ皮酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸及び無水シトラコン酸等の不飽和ジカルボン酸並びに不飽和ジカルボン酸のモノアルキルエステル等が挙げられ、これのうち、1種又は2種以上を用いることができる。
第1の単量体としては、これらの中でも、例えば、少なくともスチレン類を含むことが好ましい。スチレン類は、リビング重合が容易で、適度な疎水性と有機溶媒に対する親和性を付与できるからである。第1の重合鎖に疎水性ないし有機溶媒に対する親和性を付与することができる。こうすることで、例えば、極性有機溶媒中での分散重合法により架橋重合体を製造する場合には、第1の重合体が、架橋重合体の表層に存在する傾向が生じて、架橋重合体の分散安定性が向上される。
スチレン類は、第1の単量体の総質量のうち、例えば、20質量%以上である。20質量%以上であるとリビング重合が容易となり、適度な疎水性と有機溶媒に対する親和性を適切に付与できるからである。また例えば、30質量%以上であり、また例えば、35質量%以上であり、また例えば、40質量%以上であり、また例えば、50質量%以上であり、また例えば、60質量%以上であり、また例えば、65質量%以上であり、また例えば、70質量%以上であり、また例えば、75質量%以上である。また、スチレン類は、前記総質量の100質量%以下であり、また例えば、95質量%以下であり、また例えば、90質量%以下であり、また例えば、85質量%以下であり、また例えば、80質量%以下であり、また例えば、75質量%以下である。スチレン類の前記総質量に対する範囲としては、上記した下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、20質量%以上95質量%以下であり、また例えば、30質量%以上75質量%以下であり、また例えば、35質量%以上85質量%以下である。
(メタ)アクリロニトリル化合物、マレイミド化合物、酸無水物及び不飽和カルボン酸化合物は、それぞれ、単独でも使用できるほか、これら4種のうち1種又は2種以上をスチレン類と組み合わせて用いることが好ましい。これら4種は、いずれも、第1の重合鎖の疎水性又は有機溶媒親和性を維持、調節又は付与することができるからである。中でも、アクリロニトリルなどの(メタ)アクリロニトリル化合物、N-フェニルマレイミドなどのマレイミド化合物及び酸無水物のうちの1種又は2種以上である。中でも、スチレンとアクリロニトリル、スチレンとN-フェニルマレイミドなどの組み合わせが好適である。なお、不飽和カルボン酸化合物は、第1の重合体の極性を容易に変化させることができる点等において好ましい。
スチレン類と組み合わせて用いる場合、スチレン類以外のこれら1種又は2種以上の第1の単量体の総量は、第1の重合鎖を重合するための第1の単量体(第1の重合鎖の第1の単量体単位)の総質量のうち、例えば、20質量%以上である。また例えば、25質量%以上であり、また例えば、30質量%以上であり、また例えば、35質量%以上であり、また例えば、40質量%以上であり、また例えば、50質量%以上であり、また例えば、60質量%以上である。また、(メタ)アクリロニトリル化合物は、前記総質量の80質量%以下であり、また例えば、75質量%以下であり、また例えば、70質量%以下であり、また例えば、65質量%以下であり、また例えば、60質量%以下であり、また例えば、55質量%以下であり、また例えば、50質量%以下である。スチレン類の前記総質量に対する範囲としては、上記した下限及び上限を適宜組み合わせて設定することができるが、例えば、20質量%以上65質量%以下であり、また例えば、25質量%以上50質量%以下である。
<第1の重合鎖>
第1の重合鎖は、上記した第1の単量体のみの重合鎖であってもよいが、必要に応じて、上記以外の他のビニル系単量体を第1の単量体として用いることができる。例えば、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルなどの(メタ)アクリル酸エステル等の公知のビニル系単量体を用いることができる。
なお、こうした他の単量体は、第1の重合鎖を構成する単量体の総質量の、例えば10質量%以下、また例えば、5質量%以下、また例えば、3質量%以下、また例えば、1質量%以下であり、また例えば、0.5質量%以下である。
第1の重合鎖は、上記した第1の単量体のみの重合鎖であってもよいが、必要に応じて、上記以外の他のビニル系単量体を第1の単量体として用いることができる。例えば、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルなどの(メタ)アクリル酸エステル等の公知のビニル系単量体を用いることができる。
なお、こうした他の単量体は、第1の重合鎖を構成する単量体の総質量の、例えば10質量%以下、また例えば、5質量%以下、また例えば、3質量%以下、また例えば、1質量%以下であり、また例えば、0.5質量%以下である。
また、第1の重合体は、第1の重合鎖とは異なるブロック(他の重合鎖)を備えることもできる。かかる他の重合鎖は、例えば、第1の重合鎖の形成後に、別の合成工程で付加されてもよい。この場合には、第1の重合鎖を備える第1の重合体に、引き続きあるいは新たにラジカル重合開始剤と他のビニル系単量体を供給して、第1の重合鎖とは異なる組成の第1の単量体以外の単量体に由来する単位からなる他の重合鎖(ブロック)を備える第1の重合体を得ることができる。後述するリビングラジカル活性単位に直接連結され、かつ第1の重合鎖に連結されるように備えられることで、本架橋重合体に用いる本単量体と共通する単量体の一部を予め、第1の重合体中に備えることができる。
<リビングラジカル重合活性単位>
第1の重合体は、交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を備えるため、本単量体の沈殿重合又は分散重合にあたって、第1の重合体の重合溶媒への溶解性や分散安定剤としての機能のために、種々のモノマーを選択することができる。
第1の重合体は、交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を備えるため、本単量体の沈殿重合又は分散重合にあたって、第1の重合体の重合溶媒への溶解性や分散安定剤としての機能のために、種々のモノマーを選択することができる。
第1の重合体におけるリビングラジカル重合活性単位の交換連鎖移動機構としては、可逆的付加-開裂連鎖移動重合法(RAFT法)、ヨウ素移動重合法、有機テルル化合物を用いる重合法(TERP法)、有機アンチモン化合物を用いる重合法(SBRP法)、有機ビスマス化合物を用いる重合法(BIRP法)等が挙げられる。これらの中でも、本架橋重合体の粒子径を小さくできる点で、RAFT法及びヨウ素移動重合法が好ましく、RAFT法がより好ましい。
3.本架橋重合体の特性
<本架橋重合体の水溶液粘度>
本架橋重合体又はその塩は、その2質量%濃度水溶液の粘度が100mPa・s以上であることが好ましい。2質量%濃度水溶液の粘度が100mPa・s以上の場合、架橋重合体を含む組成物の保存安定性が高く、優れた接着力を発揮することが可能となる。2質量%濃度水溶液の粘度は、1,000mPa・s以上であってもよく、10,000mPa・s以上であってもよく、50,000mPa・s以上であってもよい
水溶液粘度は、所定の濃度となる量の本架橋重合体又はその塩を水中に均一に溶解又は分散した後、実施例に記載の方法に従い、12rpmにおけるB型粘度(25℃)を測定することにより得られる。
<本架橋重合体の水溶液粘度>
本架橋重合体又はその塩は、その2質量%濃度水溶液の粘度が100mPa・s以上であることが好ましい。2質量%濃度水溶液の粘度が100mPa・s以上の場合、架橋重合体を含む組成物の保存安定性が高く、優れた接着力を発揮することが可能となる。2質量%濃度水溶液の粘度は、1,000mPa・s以上であってもよく、10,000mPa・s以上であってもよく、50,000mPa・s以上であってもよい
水溶液粘度は、所定の濃度となる量の本架橋重合体又はその塩を水中に均一に溶解又は分散した後、実施例に記載の方法に従い、12rpmにおけるB型粘度(25℃)を測定することにより得られる。
本架橋重合体は、水中では水を吸収して膨潤した状態となる。一般に、架橋重合体が適度な架橋度を有する場合、当該架橋重合体が有する親水性基の量が多いほど、架橋重合体は水を吸収して膨潤し易くなる。また、架橋度についていえば、架橋度が低いほど、架橋重合体は膨潤し易くなる。但し、架橋点の数が同じであっても、分子量(一次鎖長)が大きいほど三次元ネットワークの形成に寄与する架橋点が増えるため、架橋重合体は膨潤し難くなる。よって、架橋重合体の親水性基の量、架橋点の数及び一次鎖長等を調整することにより、架橋重合体水溶液の粘度を調節することができる。この際、上記架橋点の数は、例えば、架橋性単量体の使用量、ポリマー鎖への連鎖移動反応及び後架橋反応等により調整が可能である。また、重合体の一次鎖長は、開始剤及び重合温度等のラジカル発生量に関連する条件の設定、並びに、連鎖移動等を考慮した重合溶媒の選択等により調整することができる。
<本架橋重合体の粒子径>
本組成物において、本架橋重合体は大粒径の塊(二次凝集体)として存在することなく、適度な粒子径を有する水膨潤粒子として良好に分散していることが、当該架橋重合体が良好な接着力を発揮し得るため好ましい。
本組成物において、本架橋重合体は大粒径の塊(二次凝集体)として存在することなく、適度な粒子径を有する水膨潤粒子として良好に分散していることが、当該架橋重合体が良好な接着力を発揮し得るため好ましい。
本架橋重合体は、当該架橋重合体が有するカルボキシル基に基づく中和度が80~100モル%であるものを水中に分散させた際の粒子径(水膨潤粒子径)が、体積基準メジアン径で0.1μm以上、5.0μm以下の範囲にあることが好ましい。上記粒子径のより好ましい範囲は0.1μm以上、4.0μm以下であり、さらに好ましい範囲は0.1μm以上、3.0μm以下であり、一層好ましい範囲は0.2μm以上、3.0μm以下であり、より一層好ましい範囲は0.3μm以上、3.0μm以下である。粒子径が0.1μm以上、5.0μm以下の範囲であれば、本組成物中において好適な大きさで均一に存在するため、本組成物の安定性が高く、優れた接着力を発揮することが可能となる。粒子径が5.0μmを超えると、上記の通り接着力が不十分となる虞がある。また、平滑性な塗面が得られにくい点で、塗工性が不十分となる虞がある。一方、粒子径が0.1μm未満の場合には、安定製造性の観点において懸念される。
本架橋重合体は、本組成物中において、中和度が20モル%以上となるように、エチレン性不飽和カルボン酸単量体由来のカルボキシル基等の酸基が中和され、塩の態様として用いることが好ましい。上記中和度は、より好ましくは50モル%以上であり、さらに好ましくは70モル%以上であり、一層好ましくは75モル%以上であり、より一層好ましくは80モル%以上であり、特に好ましくは85モル%以上である。中和度の上限値は100モル%であり、98モル%であってもよく95モル%であってもよい。中和度の範囲は、上記下限値及び上限値を適宜組合せることができ、例えば、50モル%以上100モル%以下であってもよく、75モル%以上100モル%以下であってもよく、80モル%以上100モル%以下であってもよい。中和度が20モル%以上の場合、水膨潤性が良好となり分散安定化効果が得やすいという点で好ましい。本明細書では、上記中和度は、カルボキシル基等の酸基を有する単量体及び中和に用いる中和剤の仕込み値から計算により算出することができる。なお、中和度は架橋重合体又はその塩を、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理後の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸塩のC=O基由来のピークの強度比より確認することができる。
<本架橋重合体の水膨潤度>
本明細書では、水膨潤度は本架橋重合体の乾燥時の重量「(WA)g」、及び当該架橋重合体を水で飽和膨潤させた際に吸収される水の量「(WB)g」とから、以下の式に基づいて算出される。
(水膨潤度)={(WA)+(WB)}/(WA)
本明細書では、水膨潤度は本架橋重合体の乾燥時の重量「(WA)g」、及び当該架橋重合体を水で飽和膨潤させた際に吸収される水の量「(WB)g」とから、以下の式に基づいて算出される。
(水膨潤度)={(WA)+(WB)}/(WA)
架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が20以上、80以下であることが好ましい。水膨潤度が上記範囲であれば、架橋重合体又はその塩が水媒体中で適度に膨潤するため、塗膜を形成する際に、スラリー中の粒子及び基材への十分な接着面積を確保することが可能となり、結着性が良好となる傾向がある。上記水膨潤度は、例えば21以上であってもよく、23以上であってもよく、25以上であってもよく、27以上であってもよく、30以上であってもよい。水膨潤度が20以上の場合、架橋重合体又はその塩がスラリー中の粒子や基材の表面において広がり、十分な接着面積を確保することができるため、良好な結着性が得られる。pH8における水膨潤度の上限値は、75以下であってもよく、70以下であってもよく、65以下であってもよく、60以下であってもよく、55以下であってもよい。水膨潤度が80を超えると、本組成物の粘度が高くなる傾向が有り、合剤層の均一性が不足する結果、十分な結着力が得られないことがある。また、本組成物の塗工性が低下する虞がある。pH8における水膨潤度の範囲は、上記上限値及び下限値を適宜組合せることにより設定できるが、例えば、23以上、70以下であり、また例えば、25以上、65以下であり、また例えば、25以上、55以下である。
pH8における水膨潤度は、pH8の水中における架橋重合体又はその塩の膨潤度を測定することにより得ることができる。上記pH8の水としては、例えばイオン交換水を使用することができ、必要に応じて適当な酸若しくはアルカリ、又は緩衝液等を用いてpHの値を調整してもよい。測定時のpHは、例えば、8.0±0.5の範囲であり、好ましくは8.0±0.3の範囲であり、より好ましくは8.0±0.2の範囲であり、さらに好ましくは8.0±0.1の範囲である。
pH8における水膨潤度は、pH8の水中における架橋重合体又はその塩の膨潤度を測定することにより得ることができる。上記pH8の水としては、例えばイオン交換水を使用することができ、必要に応じて適当な酸若しくはアルカリ、又は緩衝液等を用いてpHの値を調整してもよい。測定時のpHは、例えば、8.0±0.5の範囲であり、好ましくは8.0±0.3の範囲であり、より好ましくは8.0±0.2の範囲であり、さらに好ましくは8.0±0.1の範囲である。
尚、当業者であれば、架橋重合体の組成及び構造等を制御することにより、その水膨潤度の調整を行うことができる。例えば、架橋重合体に酸性官能基、又は親水性の高い構造単位を導入することにより、水膨潤度を高くすることができる。また、架橋重合体の架橋度を低くすることによっても、通常その水膨潤度は高くなる。
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。尚、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。尚、以下において「部」及び「%」は、特に断らない限り質量部及び質量%を意味する。
≪カルボキシル基含有架橋重合体(塩)の評価≫
(pH8における水膨潤度)
pH8における水膨潤度は、以下の方法によって測定した。測定装置を図1に示す。
測定装置は図1における<1>~<3>から構成される。
<1> 空気抜きするための枝管が付いたビュレット1、ピンチコック2、シリコンチューブ3及びポリテトラフルオロエチレンチューブ4から成る。
<2> ロート5の上に底面に多数の穴が空いた支柱円筒8、さらにその上に装置用濾紙10が設置されている。
<3> 架橋重合体の試料6(測定試料)は2枚の試料固定用濾紙7に挟まれ、試料固定用濾紙は粘着テープ9によって固定される。なお、使用する濾紙は全てADVANTEC No.2、内径55mmである。
<1>と<2>とはシリコンチューブ3によって繋がれる。
また、ロート5及び支柱円筒8は、ビュレット1に対する高さが固定されており、ビュレット枝管の内部に設置されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4の下端と支柱円筒8の底面とが同じ高さになる様に設定されている(図1中の点線)。
(pH8における水膨潤度)
pH8における水膨潤度は、以下の方法によって測定した。測定装置を図1に示す。
測定装置は図1における<1>~<3>から構成される。
<1> 空気抜きするための枝管が付いたビュレット1、ピンチコック2、シリコンチューブ3及びポリテトラフルオロエチレンチューブ4から成る。
<2> ロート5の上に底面に多数の穴が空いた支柱円筒8、さらにその上に装置用濾紙10が設置されている。
<3> 架橋重合体の試料6(測定試料)は2枚の試料固定用濾紙7に挟まれ、試料固定用濾紙は粘着テープ9によって固定される。なお、使用する濾紙は全てADVANTEC No.2、内径55mmである。
<1>と<2>とはシリコンチューブ3によって繋がれる。
また、ロート5及び支柱円筒8は、ビュレット1に対する高さが固定されており、ビュレット枝管の内部に設置されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4の下端と支柱円筒8の底面とが同じ高さになる様に設定されている(図1中の点線)。
測定方法について以下に説明する。
<1>にあるピンチコック2を外し、ビュレット1の上部からシリコンチューブ3を通してイオン交換水を入れ、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12で満たされた状態とする。次いで、ピンチコック2を閉じ、ビュレット枝管にゴム栓で接続されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4から空気を除去する。こうして、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12が連続的に供給される状態とする。
次に、装置用濾紙10からにじみ出た余分なイオン交換水12を除去した後、ビュレット1の目盛りの読み(a)を記録する。
測定試料の乾燥粉末0.1~0.2gを秤量し、<3>にある様に、試料固定用濾紙7の中央部に均一に置く。もう1枚の濾紙でサンプルを挟み、粘着テープ9で2枚の濾紙を留め、サンプルを固定する。サンプルが固定された濾紙を<2>に示される装置用濾紙10上に載置する。
次に、装置用濾紙10上に蓋11を載置した時点から、30分間経過した後のビュレット1の目盛りの読み(b)を記録する。
測定試料の吸水量と2枚の試料固定用濾紙7の吸水量の合計(c)は(a-b)で求められる。同様の操作により、架橋重合体の試料を含まない、2枚の濾紙7のみの吸水量(d)を測定する。
上記操作を行い、水膨潤度を以下の式より計算した。なお、計算に使用する固形分は、後述する方法により測定した値を使用した。
水膨潤度={測定試料の乾燥重量(g)+(c-d)}/{測定試料の乾燥重量(g)}
ただし、測定試料の乾燥重量(g)=測定試料の重量(g)×(固形分(%)÷100)
<1>にあるピンチコック2を外し、ビュレット1の上部からシリコンチューブ3を通してイオン交換水を入れ、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12で満たされた状態とする。次いで、ピンチコック2を閉じ、ビュレット枝管にゴム栓で接続されたポリテトラフルオロエチレンチューブ4から空気を除去する。こうして、ビュレット1から装置用濾紙10までイオン交換水12が連続的に供給される状態とする。
次に、装置用濾紙10からにじみ出た余分なイオン交換水12を除去した後、ビュレット1の目盛りの読み(a)を記録する。
測定試料の乾燥粉末0.1~0.2gを秤量し、<3>にある様に、試料固定用濾紙7の中央部に均一に置く。もう1枚の濾紙でサンプルを挟み、粘着テープ9で2枚の濾紙を留め、サンプルを固定する。サンプルが固定された濾紙を<2>に示される装置用濾紙10上に載置する。
次に、装置用濾紙10上に蓋11を載置した時点から、30分間経過した後のビュレット1の目盛りの読み(b)を記録する。
測定試料の吸水量と2枚の試料固定用濾紙7の吸水量の合計(c)は(a-b)で求められる。同様の操作により、架橋重合体の試料を含まない、2枚の濾紙7のみの吸水量(d)を測定する。
上記操作を行い、水膨潤度を以下の式より計算した。なお、計算に使用する固形分は、後述する方法により測定した値を使用した。
水膨潤度={測定試料の乾燥重量(g)+(c-d)}/{測定試料の乾燥重量(g)}
ただし、測定試料の乾燥重量(g)=測定試料の重量(g)×(固形分(%)÷100)
ここで、固形分の測定方法について以下に記載する。
試料約0.5gを、予め重さを測定しておいた秤量瓶[秤量瓶の重さ=B(g)]に採取して、秤量瓶ごと正確に秤量した後[W0(g)]、その試料を秤量瓶ごと無風乾燥機内に収容して155℃で45分間乾燥してその時の重さを秤量瓶ごと測定し[W1(g)]、以下の式により固形分を求めた。
固形分(%)=(W1-B)/(W0-B)×100
試料約0.5gを、予め重さを測定しておいた秤量瓶[秤量瓶の重さ=B(g)]に採取して、秤量瓶ごと正確に秤量した後[W0(g)]、その試料を秤量瓶ごと無風乾燥機内に収容して155℃で45分間乾燥してその時の重さを秤量瓶ごと測定し[W1(g)]、以下の式により固形分を求めた。
固形分(%)=(W1-B)/(W0-B)×100
(水媒体中での粒子径(水膨潤粒子径)の測定)
カルボキシル基含有架橋重合体塩の粉末0.25g、及びイオン交換水49.75gを100ccの容器に量りとり、自転/公転式攪拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎AR-250)にセットした。次いで、撹拌(自転速度2,000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2,200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を行い、カルボキシル基含有架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲルを作製した。
次に、イオン交換水を分散媒とするレーザー回折/散乱式粒度分布計(マイクロトラックベル社製、マイクロトラックMT-3300EXII)にて上記ハイドロゲルの粒度分布測定を行った。ハイドロゲルに対し、過剰量の分散媒を循環しているところに、適切な散乱光強度が得られる量のハイドロゲルを投入したところ、数分後に測定される粒度分布形状が安定した。安定を確認次第、粒度分布測定を行い、粒子径の代表値としての体積基準メジアン径(D50)を得た。
カルボキシル基含有架橋重合体塩の粉末0.25g、及びイオン交換水49.75gを100ccの容器に量りとり、自転/公転式攪拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎AR-250)にセットした。次いで、撹拌(自転速度2,000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2,200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を行い、カルボキシル基含有架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲルを作製した。
次に、イオン交換水を分散媒とするレーザー回折/散乱式粒度分布計(マイクロトラックベル社製、マイクロトラックMT-3300EXII)にて上記ハイドロゲルの粒度分布測定を行った。ハイドロゲルに対し、過剰量の分散媒を循環しているところに、適切な散乱光強度が得られる量のハイドロゲルを投入したところ、数分後に測定される粒度分布形状が安定した。安定を確認次第、粒度分布測定を行い、粒子径の代表値としての体積基準メジアン径(D50)を得た。
(2質量%濃度水溶液粘度の測定)
カルボキシル基含有架橋重合体塩の粉末2.0部、及びイオン交換水98部を容器に秤量し、自転/公転式撹拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎AR-250)にセットした。次いで撹拌(自転速度2,000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2,200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を未膨潤粉末状部がなくなるまで繰り返し、カルボキシル基含有架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲル微粒子分散液を調製した。得られた各ハイドロゲル微粒子分散液を25℃±1℃に調整した後、B型粘度計(東機産業社製、TVB-10)を用いて、ローター速度12rpmにおける粘度を測定した。
カルボキシル基含有架橋重合体塩の粉末2.0部、及びイオン交換水98部を容器に秤量し、自転/公転式撹拌機(シンキー社製、あわとり錬太郎AR-250)にセットした。次いで撹拌(自転速度2,000rpm/公転速度800rpm、7分)、さらに脱泡(自転速度2,200rpm/公転速度60rpm、1分)処理を未膨潤粉末状部がなくなるまで繰り返し、カルボキシル基含有架橋重合体塩が水に膨潤した状態のハイドロゲル微粒子分散液を調製した。得られた各ハイドロゲル微粒子分散液を25℃±1℃に調整した後、B型粘度計(東機産業社製、TVB-10)を用いて、ローター速度12rpmにおける粘度を測定した。
≪第1の重合体の合成≫
(重合体1)
攪拌機、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器内にRAFT剤(ジベンジルトリチオカーボネート:DBTTC)2.0部、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)(日本ファインケム社製、商品名「ABN-E」)0.410部、スチレン(St)75部、アクリロニトリル(AN)25部、及びアニソール67部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、80℃の恒温槽で重合を開始した。4時間後、室温まで冷却し反応を停止した。上記重合溶液を、メタノール/水=90/10(vоl%)から再沈殿精製、真空乾燥することで重合体1を得た。ガスクロマトグラフィーによる試験の結果、得られた重合体1の反応率は72%であった。重合体1の分子量は、Mn11,900、Mw15,500、Mw/Mnは1.30であった。なお、スチレン及びアクリロニトリルが、第1の単量体に対応している。
(重合体1)
攪拌機、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器内にRAFT剤(ジベンジルトリチオカーボネート:DBTTC)2.0部、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)(日本ファインケム社製、商品名「ABN-E」)0.410部、スチレン(St)75部、アクリロニトリル(AN)25部、及びアニソール67部を仕込み、窒素バブリングで十分脱気し、80℃の恒温槽で重合を開始した。4時間後、室温まで冷却し反応を停止した。上記重合溶液を、メタノール/水=90/10(vоl%)から再沈殿精製、真空乾燥することで重合体1を得た。ガスクロマトグラフィーによる試験の結果、得られた重合体1の反応率は72%であった。重合体1の分子量は、Mn11,900、Mw15,500、Mw/Mnは1.30であった。なお、スチレン及びアクリロニトリルが、第1の単量体に対応している。
(第1の重合体の分子量の測定方法)
第1の重合体の分子量の測定をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)にて行った。すなわち、THF系GPCにより、ポリスチレン換算による数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を得た。また、得られた値から分子量分布(Mw/Mn)を算出した。なお、GPCは以下の条件で行った。
第1の重合体の分子量の測定をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)にて行った。すなわち、THF系GPCにより、ポリスチレン換算による数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を得た。また、得られた値から分子量分布(Mw/Mn)を算出した。なお、GPCは以下の条件で行った。
カラム:東ソー製TSKgel SuperMultiporeHZ-M×4本
溶媒:テトラヒドロフラン
温度:40℃
検出器:RI
流速:600μL/min
溶媒:テトラヒドロフラン
温度:40℃
検出器:RI
流速:600μL/min
≪カルボキシル基含有架橋重合体塩の製造≫
(実施例1:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-1の製造)
重合には、攪拌翼、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器を用いた。
反応器内にアセトニトリル567部、イオン交換水2.20部、アクリル酸(以下、「AA」という。)100部、DBTTC0.001部、トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)0.90部及び上記AAに対して1.0モル%に相当するトリエチルアミンを仕込んだ。反応器内を十分に窒素置換した後、加温して内温を55℃まで昇温した。内温が55℃で安定したことを確認した後、重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製、商品名「V-65」)0.040部を添加したところ、反応液に白濁が認められたため、この点を重合開始点とした。なお、単量体濃度は15.0%と算出された。重合開始点から12時間経過した時点で反応液の冷却を開始し、内温が25℃まで低下した後、水酸化リチウム・一水和物(以下、「LiOH・H2O」という)の粉末52.4部を添加した。添加後室温下12時間撹拌を継続して、カルボキシル基含有重合体塩R-1(Li塩、中和度90モル%)の粒子が媒体に分散したスラリー状の重合反応液を得た。
(実施例1:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-1の製造)
重合には、攪拌翼、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた反応器を用いた。
反応器内にアセトニトリル567部、イオン交換水2.20部、アクリル酸(以下、「AA」という。)100部、DBTTC0.001部、トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)0.90部及び上記AAに対して1.0モル%に相当するトリエチルアミンを仕込んだ。反応器内を十分に窒素置換した後、加温して内温を55℃まで昇温した。内温が55℃で安定したことを確認した後、重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製、商品名「V-65」)0.040部を添加したところ、反応液に白濁が認められたため、この点を重合開始点とした。なお、単量体濃度は15.0%と算出された。重合開始点から12時間経過した時点で反応液の冷却を開始し、内温が25℃まで低下した後、水酸化リチウム・一水和物(以下、「LiOH・H2O」という)の粉末52.4部を添加した。添加後室温下12時間撹拌を継続して、カルボキシル基含有重合体塩R-1(Li塩、中和度90モル%)の粒子が媒体に分散したスラリー状の重合反応液を得た。
得られた重合反応液を遠心分離して重合体粒子を沈降させた後、上澄みを除去した。その後、重合反応液と同重量のアセトニトリルに沈降物を再分散させた後、遠心分離により重合体粒子を沈降させて上澄みを除去する洗浄操作を2回繰り返した。沈降物を回収し、減圧条件下、80℃で3時間乾燥処理を行い、揮発分を除去することにより、カルボキシル基含有重合体塩R-1の粉末を得た。カルボキシル基含有重合体塩R-1は吸湿性を有するため、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。なお、カルボキシル基含有重合体塩R-1の粉末をIR測定し、カルボン酸のC=O基由来のピークとカルボン酸LiのC=O由来のピークの強度比より中和度を求めたところ、仕込みからの計算値に等しく90モル%であった。また、水膨潤度は36.4であり、水媒体中での粒子径は1.72μmであり、2質量%濃度水溶液粘度は9,110mPa・sであった。
(実施例2~15及び比較例1~2:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17の製造)
単量体、架橋性単量体、及び中和剤の仕込み量を表1に記載の通りとした以外は製造例1と同様の操作を行い、カルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17を含む重合反応液を得た。
次いで、各重合反応液について製造例1と同様の操作を行い、粉末状のカルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17を得た。各カルボキシル基含有架橋重合体塩は、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。R-2~R-17の水膨潤度、水媒体中での粒子径及び2質量%濃度水溶液粘度を表1に示す。なお、R-3(中和度70モル%)の水媒体中での粒子径については、LiOH・H2Oにより中和度を90モル%に調整した上で測定を行った。
単量体、架橋性単量体、及び中和剤の仕込み量を表1に記載の通りとした以外は製造例1と同様の操作を行い、カルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17を含む重合反応液を得た。
次いで、各重合反応液について製造例1と同様の操作を行い、粉末状のカルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17を得た。各カルボキシル基含有架橋重合体塩は、水蒸気バリア性を有する容器に密封保管した。R-2~R-17の水膨潤度、水媒体中での粒子径及び2質量%濃度水溶液粘度を表1に示す。なお、R-3(中和度70モル%)の水媒体中での粒子径については、LiOH・H2Oにより中和度を90モル%に調整した上で測定を行った。
表1において用いた化合物の詳細を以下に示す。
AA:アクリル酸
IBXA:アクリル酸イソボルニル
BM1430:2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)プロピオン酸
IBME:2-ヨードイソ酪酸メチル
T-20:トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)
P-30:ペンタエリスリトールトリアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルP-30」)
TEA:トリエチルアミン
AcN:アセトニトリル
V-65:2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製)
LiOH・H2O:水酸化リチウム・一水和物
Na2CO3:炭酸ナトリウム
K2CO3:炭酸カリウム
AA:アクリル酸
IBXA:アクリル酸イソボルニル
BM1430:2-(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)プロピオン酸
IBME:2-ヨードイソ酪酸メチル
T-20:トリメチロールプロパンジアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルT-20」)
P-30:ペンタエリスリトールトリアリルエーテル(ダイソー社製、商品名「ネオアリルP-30」)
TEA:トリエチルアミン
AcN:アセトニトリル
V-65:2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製)
LiOH・H2O:水酸化リチウム・一水和物
Na2CO3:炭酸ナトリウム
K2CO3:炭酸カリウム
≪カルボキシル基含有架橋重合体塩を含む組成物の評価≫
(実施例1:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-1を含む組成物の評価)
<スラリー組成物の調製>
SiOx(0.8<x<1.2)の表面にCVD法で炭素を10%コートしたものを準備し(以下、「Si系活物質」という。)、人造黒鉛とSi系活物質とを混合したものを活物質として用いた。また、バインダーとしては、本架橋重合体塩R-1、スチレンブタジエンゴム(SBR)系ラテックス及びカルボキシメチルセルロース(CMC)の混合物を用いた。
スラリー組成物の固形分濃度が50質量%となるように、水を希釈溶媒として、人造黒鉛:Si系活物質:R-1:SBR:CMC=90:10:1.0:1.0:1.0(固形分)の質量比でプライミクス社製T.K.ハイビスミックスを用いて2時間混合し、スラリー組成物を調製した。スラリー組成物の粘度は3,670mPa・sであり、十分低い値であった。
得られたスラリー組成物を用いて電極を作製し、その塗工性及び塗膜性能の評価を行った。具体的な手順及び評価方法等について以下に示す。
(実施例1:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-1を含む組成物の評価)
<スラリー組成物の調製>
SiOx(0.8<x<1.2)の表面にCVD法で炭素を10%コートしたものを準備し(以下、「Si系活物質」という。)、人造黒鉛とSi系活物質とを混合したものを活物質として用いた。また、バインダーとしては、本架橋重合体塩R-1、スチレンブタジエンゴム(SBR)系ラテックス及びカルボキシメチルセルロース(CMC)の混合物を用いた。
スラリー組成物の固形分濃度が50質量%となるように、水を希釈溶媒として、人造黒鉛:Si系活物質:R-1:SBR:CMC=90:10:1.0:1.0:1.0(固形分)の質量比でプライミクス社製T.K.ハイビスミックスを用いて2時間混合し、スラリー組成物を調製した。スラリー組成物の粘度は3,670mPa・sであり、十分低い値であった。
得られたスラリー組成物を用いて電極を作製し、その塗工性及び塗膜性能の評価を行った。具体的な手順及び評価方法等について以下に示す。
(スラリー組成物の塗工性)
上記スラリー組成物を銅箔(厚み:20μm)の両面に塗布し、乾燥することにより合剤層を形成した。その後、合剤層の厚みが27μm、充填密度が1.3g/cm3になるよう圧延した後、3cm正方に打ち抜いて負極極板を得た。
上記負極極板の作製におけるスラリー組成物の塗工性は、以下の基準に基づき評価され、「◎」と評価された。
<評価基準>
◎:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が全く認められない。
〇:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常がわずかに認められる。
△:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が少し認められる。
×:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が顕著に認められる。
上記スラリー組成物を銅箔(厚み:20μm)の両面に塗布し、乾燥することにより合剤層を形成した。その後、合剤層の厚みが27μm、充填密度が1.3g/cm3になるよう圧延した後、3cm正方に打ち抜いて負極極板を得た。
上記負極極板の作製におけるスラリー組成物の塗工性は、以下の基準に基づき評価され、「◎」と評価された。
<評価基準>
◎:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が全く認められない。
〇:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常がわずかに認められる。
△:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が少し認められる。
×:表面に筋ムラ、ブツ等の外観異常が顕著に認められる。
<リチウムイオン二次電池の作製>
N-メチルピロリドン(NMP)溶媒中、正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LFP)を100部、導電剤としてカーボンナノチューブを0.2部、ケッチェンブラックを2部、気層法炭素繊維(VGCF)0.6部を混合して添加し、電極組成物用バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混合し、正極用組成物を調製した。アルミニウム集電体(厚み:15μm)に前記正極用組成物を塗布乾燥することにより合剤層を形成した。その後、合剤層の厚みが88μm、充填密度が3.1g/cm3になるように圧延した後、3cm正方に打ち抜いて正極極板を得た。
上記正極極板、上記負極極板及びセパレータを用いて、ラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を作製した。電解液としてはエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(DEC)を体積比で25:75とした混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/リットルの濃度で溶解させたものを用いた。
N-メチルピロリドン(NMP)溶媒中、正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LFP)を100部、導電剤としてカーボンナノチューブを0.2部、ケッチェンブラックを2部、気層法炭素繊維(VGCF)0.6部を混合して添加し、電極組成物用バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混合し、正極用組成物を調製した。アルミニウム集電体(厚み:15μm)に前記正極用組成物を塗布乾燥することにより合剤層を形成した。その後、合剤層の厚みが88μm、充填密度が3.1g/cm3になるように圧延した後、3cm正方に打ち抜いて正極極板を得た。
上記正極極板、上記負極極板及びセパレータを用いて、ラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を作製した。電解液としてはエチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(DEC)を体積比で25:75とした混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/リットルの濃度で溶解させたものを用いた。
(塗膜性能)
上記スラリー組成物から得られた塗膜の性能について、本実施例においては、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を測定する事で評価した。
上記の手順で作製したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、CC放電にて2.7から3.4Vの条件下、0.2Cの充放電レートにて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、25℃の環境下で充放電を繰り返し、50サイクル後の容量C50を測定した。以下の式で算出されるサイクル特性(ΔC)は91.8%であり、以下の基準に基づくサイクル特性は「〇」と評価された。なお、ΔCの値が高いほどサイクル特性に優れることを示す。
ΔC=C50/C0×100(%)
<評価基準>
◎:充放電容量保持率が95.0%以上
〇:充放電容量保持率が90.0%以上95.0%未満
△:充放電容量保持率が85.0%以上90.0%未満
×:充放電容量保持率が85.0%未満
上記スラリー組成物から得られた塗膜の性能について、本実施例においては、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を測定する事で評価した。
上記の手順で作製したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、CC放電にて2.7から3.4Vの条件下、0.2Cの充放電レートにて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、25℃の環境下で充放電を繰り返し、50サイクル後の容量C50を測定した。以下の式で算出されるサイクル特性(ΔC)は91.8%であり、以下の基準に基づくサイクル特性は「〇」と評価された。なお、ΔCの値が高いほどサイクル特性に優れることを示す。
ΔC=C50/C0×100(%)
<評価基準>
◎:充放電容量保持率が95.0%以上
〇:充放電容量保持率が90.0%以上95.0%未満
△:充放電容量保持率が85.0%以上90.0%未満
×:充放電容量保持率が85.0%未満
(実施例2~15、及び比較例1~2:カルボキシル基含有架橋重合体塩R-2~R-17を含む組成物の評価)
カルボキシル基含有架橋重合体塩を表1に記載の通りとした以外は、実施例1と同様の操作を行うことによりスラリー組成物を調製し、当該組成物の粘度を測定した。また、当該組成物の塗工性、それを用いて得られた二次電池のサイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
カルボキシル基含有架橋重合体塩を表1に記載の通りとした以外は、実施例1と同様の操作を行うことによりスラリー組成物を調製し、当該組成物の粘度を測定した。また、当該組成物の塗工性、それを用いて得られた二次電池のサイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
≪評価結果≫
実施例1~15の結果から明らかなように、本発明の製造方法により得られる本架橋重合体塩を含むスラリー組成物は、いずれも塗工性が良好であるとともに、当該組成物の塗膜性能(本実施例においては、当該組成物を使用して得られた電極を備えた二次電池のサイクル特性)にも優れるものであった。これらの中でも、水膨潤度及び水媒体中での粒子径が同等の場合(実施例2、12、13)で比較すると、交換連鎖移動機構型制御剤として、可逆的付加開裂型連鎖移動重合における制御剤を用いた場合(実施例2、12)の方が、ヨウ素移動重合制御剤を用いた場合(実施例13)よりも塗膜性能に優れた(本実施例においては、充放電容量保持率が高く、サイクル特性に優れた)。
これらに対して、交換連鎖移動機構型制御剤を用いずに製造した架橋重合体を含むスラリー組成物の場合、塗膜性能(二次電池のサイクル特性)あるいは塗工性のいずれかが著しく劣った(比較例1及び2)。
実施例1~15の結果から明らかなように、本発明の製造方法により得られる本架橋重合体塩を含むスラリー組成物は、いずれも塗工性が良好であるとともに、当該組成物の塗膜性能(本実施例においては、当該組成物を使用して得られた電極を備えた二次電池のサイクル特性)にも優れるものであった。これらの中でも、水膨潤度及び水媒体中での粒子径が同等の場合(実施例2、12、13)で比較すると、交換連鎖移動機構型制御剤として、可逆的付加開裂型連鎖移動重合における制御剤を用いた場合(実施例2、12)の方が、ヨウ素移動重合制御剤を用いた場合(実施例13)よりも塗膜性能に優れた(本実施例においては、充放電容量保持率が高く、サイクル特性に優れた)。
これらに対して、交換連鎖移動機構型制御剤を用いずに製造した架橋重合体を含むスラリー組成物の場合、塗膜性能(二次電池のサイクル特性)あるいは塗工性のいずれかが著しく劣った(比較例1及び2)。
本発明の製造方法により得られるカルボキシル基含有架橋重合体又はその塩を含む組成物は、塗工性及び塗膜性能のいずれにも優れるため、化粧品用の増粘剤や粘度調整剤、非水電解質二次電池電極用のバインダー、顔料用の沈降防止剤、金属粉の分散安定剤等の様々な用途への適用が期待される。
Claims (8)
- カルボキシル基含有架橋重合体又はその塩の製造方法であって、
交換連鎖移動機構型制御剤の存在下、沈殿重合若しくは分散重合により、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分を重合する工程を備え、
前記交換連鎖移動機構型制御剤が、1種又は2種以上のビニル系単量体の重合鎖と交換連鎖移動機構によるリビングラジカル重合活性単位を有する重合体、及び/又は、当該重合体以外の交換連鎖移動機構型制御剤である、製造方法。 - 前記交換連鎖移動機構型制御剤が、可逆的付加開裂型連鎖移動剤(RAFT剤)である、請求項1に記載の製造方法。
- 前記可逆的付加開裂型連鎖移動剤が、分子内にトリチオカーボネート基を有するものである、請求項2に記載の製造方法。
- 前記交換連鎖移動機構型制御剤の使用量が、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を含む単量体成分の総量に対して0.0001~0.50モル%である、請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記単量体成分は、その総量に対し、エチレン性不飽和カルボン酸単量体を50質量%以上100質量%以下含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記架橋重合体は、架橋性単量体により架橋されたものであり、当該架橋性単量体の使用量が非架橋性単量体の総量100質量部に対して0.1質量部以上2.0質量部以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記架橋重合体又はその塩は、中和度80~100モル%に中和された後、水媒体中で測定した粒子径が、体積基準メジアン径で0.1μm以上5.0μm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記架橋重合体又はその塩は、pH8における水膨潤度が20以上80以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載の製造方法。
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