DE19955861A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten feinteiligen gelförmigen Polymerisaten - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten feinteiligen gelförmigen Polymerisaten

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Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten, feinteiligen, gelförmigen Polymerisaten durch Copolymerisieren von DOLLAR A a) wasserlöslichen, monoethylenisch ungesättigten Monomeren, DOLLAR A b) 0,001 bis 5 Mol-%, bezogen auf die Monomere (a), mindestens zwei ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen enthaltenden Monomeren und DOLLAR A c) 0 bis 20 Mol-%, bezogen auf die Monomere (a), wasserunlöslichen monoethylenisch ungesättigten Monomeren DOLLAR A in 20 bis 80 gew.-%iger wäßriger Lösung in Gegenwart von Initiator bei Temperaturen von 0 bis 140 DEG C, wobei man die wäßrige Lösung der Monomeren zusammen mit dem Initiator und einem Inertgas kontinuierlich einem Mischkneter mit mindestens zwei achsparallel rotierenden Wellen zuführt, wobei sich auf den Wellen mehrere Knet- und Transportelemente befinden, die eine Förderung der am Anfang des Mischkneters zugegebenen Stoffe in axialer Richtung zum Ende des Mischers bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wärmeabfuhr durch Verdampfung von Wasser aus dem Reaktionsgemisch mindestens 5% der Reaktionswärme und der Anteil der Wärmeabfuhr durch Produktaustrag mindestens 25% der Reaktionswärme beträgt und die restliche Wärmeabfuhr über Kühlung der Reaktorwände erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuier­ lichen Herstellung von vernetzten feinteiligen gelförmigen Poly­ merisaten.
Aus der DE-OS 34 32 690 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten Polymerisaten bekannt, bei dem man wasserlösliche Monomere in Gegenwart eines Vernetzers und von In­ itiatoren in einem Kessel polymerisiert, der mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten rotierenden Rührerwellen ausgerüstet ist, die mit Rührerblättern versehen sind. Die Polymerisation wird kontinuierlich in einem Zweiarm-Typkneter oder beispielsweise in einem Dreischaftkneter durchgeführt. Bei diesem Reaktortyp findet eine starke Rückvermischung statt, so daß die Monomerlösung auf das fein zerteilte wasserhaltige Gel­ polymere gegeben wird und die Polymerisation des Monomeren auf der Oberfläche des Polymergels abläuft. Die so herstellbaren feinteiligen Polymerisatgele haben einen relativ hohen Rest­ monomergehalt.
Die EP-A-223 063 lehrt ein Verfahren zur kontinuierlichen Her­ stellung von vernetzten feinteiligen gelförmigen Polymerisaten in einem einwelligen zylindrischen Mischer, dessen Mischsegmente eine Förderung der Stoffe vom Anfang zum Ende des zylindrischen Mischers bewirken. Die Polymerisation wird bei einem Druck von 100 bis 800 mbar durchgeführt, was einen hohen apparativen Auf­ wand bedeutet, um den Druck zu regulieren. Die Monomere müssen über ein Druckhalteventil in den Reaktor dosiert werden, welches leicht zupolymerisiert. Darüberhinaus haben beide Verfahren ein unbefriedigend breites Verweilzeitspektrum und einen oszillieren­ den Produktaustrag.
Daher war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein apparativ einfaches Verfahren mit guter Raum/Zeit-Ausbeute zur Verfügung zu stellen, dessen Produkt ein gleichmäßiges Polymergel mit geringem Restmonomergehalt ist.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten, feinteiligen, gelförmigen Polymerisaten durch Copoly­ merisieren von
  • a) wasserlöslichen, monoethylenisch ungesättigten Monomeren,
  • b) 0,001 bis 5 Mol-% bezogen auf die Monomere (a), mindestens zwei ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen enthaltenden Monomeren und
  • c) 0 bis 20 Mol-% bezogen auf die Monomere (a) wasserunlöslichen monoethylenisch ungesättigten Monomeren
in 20 bis 80 gew.-%iger wäßriger Lösung in Gegenwart von Initia­ tor bei Temperaturen von 0 bis 140°C, wobei man die wäßrige Lösung der Monomeren zusammen mit dem Initiator und einem Inertgas kontinuierlich einem Mischkneter mit mindestens zwei achsparallel rotierenden Wellen zuführt, wobei sich auf den Wellen mehrere Knet- und Transportelemente befinden, die eine Förderung der am Anfang des Mischkneters zugegebenen Stoffe in axialer Richtung zum Ende des Mischers bewirken, gefunden, bei dem der Anteil der Wärmeabfuhr durch Verdampfung von Wasser aus dem Reaktionsgemisch mindestens 5% der Reaktionswärme und der Anteil der Wärmeabfuhr durch Produktaustrag mindestens 25% dar Reaktionswärme beträgt und die restliche Wärmeabfuhr über Kühlung der Reaktorwände er­ folgt.
Wasserlösliche monoethylenisch ungesättigte Monomere der Gruppe (a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte C3- bis C6-Car­ bonsäuren, deren Amide und Ester mit Aminoalkoholen der Formel
in der R4 C2- bis C5-Alkylen und R1, R2, R3 unabhängig voneinander Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Propyl bedeutet. Bei diesen Verbindungen handelt es sich beispielsweise um Acrylsäure, Meth­ acrylsäure, Crotonsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Fumarsäure sowie den Alkali- oder Ammoniumsalzen dieser Säuren, Acrylamid, Methacrylamid, Crotonsäureamid, Dimethylaminoethylacrylat, Diethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Dimethyl­ aminobutylacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Dimethylamino­ ethylmethacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Dimethylaminoneo­ pentylacrylat und Dimethylaminoneopentylmethacrylat. Die basi­ schen Acrylate und Methacrylate werden in Form der Salze mit starken Mineralsäuren, Sulfonsäuren oder Carbonsäuren oder in quaternisierter Form eingesetzt. Das Anion X⊖ für die Verbindungen der Formel I ist der Säurerest der Mineralsäuren bzw. der Carbonsäuren oder Methosulfat, Ethosulfat oder Halogenid aus einem Quaternierungsmittel.
Weitere wasserlösliche Monomere der Gruppe (a) sind N-Vinylpyrro­ lidon, Acrylamidopropansulfonsäure, Vinylphosphonsäure und/oder Alkali- bzw. Ammoniumsalze der Vinylsulfonsäure. Die anderen Säuren können ebenfalls entweder in nicht neutralisierter Form oder in partiell bzw. bis zu 100% neutralisierter Form bei der Polymerisation eingesetzt werden. Als wasserlösliche Monomere der Gruppe (a) eignen sich auch Diallylammoniumverbindungen, wie Di­ methyldiallylammoniumchlorid, Diethyldiallylammoniumchlorid oder Diallylpiperidiniumbromid, N-Vinylimidazoliumverbindungen, wie Salze oder Quaternisierungsprodukte von N-Vinylimidazol und 1-Vinyl-2-methylimidazol, und N-Vinylimidazoline, wie N-Vinylimi­ dazolin, 1-Vinyl-2-methylimidazolin, 1-Vinyl-2-ethylimidazolin oder 1-Vinyl-2-n-propylimidazolin, die ebenfalls in quaterni­ sierter Form oder als Salz bei der Polymerisation eingesetzt wer­ den.
Bevorzugte Monomere der Gruppe (a) sind Acrylsäure, Methacryl­ säure sowie die Alkali- oder Ammoniumsalze dieser Säuren, Acryl­ amid und/oder Methacrylamid. Diese Monomere können in jedem be­ liebigen Verhältnis miteinander copolymerisiert werden.
Die Polymerisation der Monomere der Gruppe (a) erfolgt in Gegen­ wart von Vernetzern (Monomere der Gruppe (b)). Die Vernetzer ent­ halten mindestens zwei ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen. Geeignete Vernetzer sind beispielsweise N,N'-Methylenbisacryl­ amid, Polyethylenglykoldiacrylate und Polyethylenglykoldimeth­ acrylate, die sich jeweils von Polyethylenglykolen eines Moleku­ largewichts von 126 bis 8500, vorzugsweise 400 bis 2000, ableiten, Trimethylolpropantriacrylat, Trimethylolpropantrimeth­ acrylat, Ethylenglykoldiacrylat, Propylenglykoldiacrylat, Butan­ dioldiacrylat, Hexandioldiacrylat, Hexandioldimethacrylat, Diacrylate und Dimethacrylate von Blockcopolymerisaten aus Ethylenoxid und Propylenoxid, zweifach bzw. dreifach mit Acryl­ säure oder Methacrylsäure veresterte mehrwertige Alkohole, wie Glycerin oder Pentaerythrit, Triallylamin, Tetraallylethylen­ diamin, Divinylbenzol, Diallylphthalat, Polyethylenglykoldivinyl­ ether von Polyethylenglykolen eines Molekulargewichts von 126 bis 4000, Trimethylolpropandiallylether, Butandioldivinyl­ ether, Pentaerythrittriallylether und/oder Divinylethylenharn­ stoff. Vorzugsweise setzt man wasserlösliche Vernetzer ein, z. B. N,N-Methylenbisacrylamid, Polyethylenglykoldiacrylat, Poly­ ethylenglykoldimethacrylate, Pentaerythrittriallylether und/oder Divinylharnstoff. Die Monomere der Gruppe (b) werden in Mengen von 0,001 bis 5, vorzugsweise 0,005 bis 0,5 Mol-% bezogen auf die Monomere (a) bei der Copolymerisation eingesetzt.
Die Copolymerisation der Monomere der Gruppen (a) und (b) kann - sofern eine Änderung der Eigenschaften der Copolymerisate ge­ wünscht wird - zusätzlich noch in Gegenwart von Monomeren der Gruppe (c) durchgeführt werden. Als Monomere der Gruppe (c) kom­ men beispielsweise Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Acrylnitril und/oder Methacrylnitril in Betracht. Außerdem eignen sich Ester der Acrylsäure oder Methacrylsäure mit 1 bis 18 Kohlenstoffatome enthaltenden einwertigen Alkoholen, z. B. Methylacrylat, Ethyl­ acrylat, Propylacrylat, Isopropylacrylat, n-Butylacrylat, Iso­ butylacrylat, Hexylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Stearylacrylat, die entsprechenden Ester der Methacrylsäure, Fumarsäurediethyl­ ester, Maleinsäurediethylester, Maleinsäuredimethylester, Malein­ säuredibutylester, Vinylacetat und Vinylpropionat. Sofern die Monomere der Gruppe (c) zur Modifizierung der wasserlöslichen Polymerisate verwendet werden, setzt man 0,5 bis 20, vorzugsweise 2 bis 10 Mol-% bezogen auf die Monomere (a) ein.
Die wasserunlöslichen Monomere können, falls sie bei der Copoly­ merisation miteingesetzt werden, mit Hilfe von Emulgatoren in der wäßrigen Lösung fein verteilt werden. Geeignete Emulgatoren sind beispielsweise ethoxylierte Nonylphenole, ethoxyliertes Ricinusöl, Alkylsulfate, Sorbitanfettsäureester, ethoxylierte Sorbite, ethoxylierte Sorbitanfettsäureester und Alkylsulfonate. Die Emulgatoren werden in einer Menge von 0 bis 3 Gew.-% bezogen auf die Monomere (a) eingesetzt.
Die Polymerisation kann gegebenenfalls in Gegenwart der üblichen Polymerisationsregler erfolgen. Geeignete Polymerisationsregler sind beispielsweise Thioverbindungen, wie Thioglykolsäure, Mer­ captoalkohole, z. B. 2-Mercaptoethanol, Mercaptopropanol und Mercaptobutanol, Dodecylmercaptan, Ameisensäure, Ammoniak und Amine, z. B. Ethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin, Triethyl­ amin, Morpholin und Piperidin.
Die Monomere (a), (b) und gegebenenfalls (c) werden in 20 bis 80, vorzugsweise 20 bis 50, insbesondere 30 bis 45 gew.-%iger wäßri­ ger Lösung in Gegenwart von Polymerisationsinitiatoren miteinan­ der copolymerisiert. Als Polymerisationsinitiatoren können sämt­ liche unter den Polymerisationsbedingungen in Radikale zerfal­ lende Verbindungen eingesetzt werden, z. B. Peroxide, Hydroper­ oxide, Wasserstoffperoxid, Persulfate, Azoverbindungen und die sogenannten Redoxkatalysatoren. Bevorzugt ist der Einsatz von wasserlöslichen Katalysatoren. In manchen Fällen ist es vorteil­ haft, Mischungen verschiedener Polymerisationsinitiatoren zu ver­ wenden, z. B. Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natrium- oder Kaliumperoxodisulfat. Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natriumperoxodisulfat können in jedem beliebigen Verhältnis verwendet werden. Geeignete organische Peroxide sind beispiels­ weise Acetylacetonperoxid, Methylethylketonperoxid, tert.-Butyl­ hydroperoxid, Cumolhydroperoxid, tert.-Amylperpivalat, tert.-Bu­ tylperpivalat, tert.-Butylperneohexanoat, tert.-Butylperisobuty­ rat, tert.-Butylper-2-ethylhexanoat, tert.-Butylperisononanoat, tert.-Butylpermaleat, tert.-Butylperbenzoat, tert.-Butyl­ per-3,5,5-tri-methylhexanoat und tert.-Amylperneodekanoat. Wei­ tere geeignete Polymerisationsinitiatoren sind Azostarter, z. B. 2,2'-Azobis-(2-amidinopropan)dihydrochlorid, 2,2'-Azobis-(N,N-di­ methylen)isobutyramidin-dihydrochlorid, 2-(Carbamoylazo)iso­ butyronitril und 4,4'-Azobis-(4-cyanovaleriansäure). Die genann­ ten Polymerisationsinitiatoren werden in üblichen Mengen einge­ setzt, z. B. in Mengen von 0,01 bis 5, vorzugsweise 0,1 bis 2 Mol%, bezogen auf die zu polymerisierenden Monomere.
Die Redoxkatalysatoren enthalten als oxidierende Komponente min­ destens eine der oben angegebenen Perverbindungen und als redu­ zierende Komponente beispielsweise Ascorbinsäure, Glukose, Sor­ bose, Ammonium- oder Alkalimetall-hydrogensulfit, -sulfit, -thio­ sulfat, -hyposulfit, -pyrosulfit oder -sulfid, Metallsalze, wie Eisen-II-ionen oder Silberionen oder Natriumhydroxymethylsulfoxy­ lat. Vorzugsweise verwendet man als reduzierende Komponente des Redoxkatalysators Ascorbinsäure oder Natriumpyrosulfit. Bezogen auf die bei der Polymerisation eingesetzte Menge an Monomeren verwendet man 1.10-5 bis 1 Mol.-% der reduzierenden Komponente des Redoxkatalysatorsystems und 1.10-5 bis 5 Mol.-% der oxidierenden Komponente des Redoxkatalysators. Anstelle der oxidierenden Kom­ ponente des Redoxkatalysators oder zusätzlich kann man auch einen oder mehrere wasserlösliche Azostarter verwenden.
Bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Redoxsystem be­ stehend aus Wasserstoffperoxid, Natriumperoxodisulfat und Ascor­ binsäure eingesetzt. In einer üblichen Ausführungsform werden diese Komponenten in den Konzentrationen 1.10-2 Mol.-% Wasser­ stoffperoxid, 0,084 Mol.-% Natriumperoxodisulfat und 2,5.10-3 Mol.-% Ascorbinsäure bezogen auf die Monomere eingesetzt.
Die wäßrige Monomerlösung kann den Initiator gelöst oder disper­ giert enthalten. Die Initiatoren können jedoch auch getrennt von der Monomerlösung dem Mischkneter zugeführt werden.
Die Monomerlösung wird vor der Polymerisation von Restsauerstoff befreit. Dies geschieht mittels Inertgas, welches im Gleichstrom, Gegenstrom oder dazwischenliegenden Eintrittswinkeln eingeleitet werden kann. Eine gute Durchmischung kann beispielsweise mit Dü­ sen, statischen oder dynamischen Mischern oder Blasensäulen er­ zielt werden.
Die Monomerlösung wird ebenfalls mit einem Inertgasstrom durch den Reaktor geführt. Bevorzugt beträgt der Massendurchsatz an Monomerlösung mindestens 1000, besonders bevorzugt mindestens 2000 und insbesondere mindestens 3000 kg/hm3 (Reaktorvolumen) und der Inertgasstrom mindestens 100 l/hm3 (Reaktorvolumen).
Als Inertgase können unabhängig voneinander Stickstoff, ein Edel­ gas wie Argon, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid oder Mischungen dieser Gase verwendet werden. Dabei ist es möglich das Inertgas ganz oder teilweise durch eine chemische Reaktion im Mischkneter zu erzeugen. Bevorzugt wird Stickstoff als Inertgas eingesetzt.
Das Reaktorvolumen kann je nach gewünschtem Umsatz variieren. Vorzugsweise beträgt das Reaktorvolumen mindestens 0,1 m3 beson­ ders bevorzugt 0,2 bis 20 m3 und insbesondere 0,2 bis 12 m3.
Während an der Zugabestelle der Monomeren in den Mischer die Stoffe in flüssiger Form vorliegen geht die Konsistenz der Reak­ tionsmischung über einen hochviskosen Zustand in ein krümeliges Gel über, das durch die kontinuierliche Förderwirkung des Mischers am Ende des Mischers ausgetragen wird. Bei der Polymeri­ sation entsteht ein Gel, das im Mischer zu einem feinteiligen krümeligen Gel zerteilt und als solches dann ausgetragen wird. Wichtig ist dabei, daß während der Polymerisation im Mischer ein Teil des Wasser entfernt wird, so daß am Ende des Mischers krüme­ lige Gelteilchen mit einem Feststoffgehalt von 20 bis 100 Gew.-% anfallen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare Mischkneter sind von der Firma List erhältlich und beispielsweise in der CH-A-664 704, EP-A-517 068, WO 97/12666, DE-A-21 23 956, EP-A-603 525, DE-A-195 36 944 und DE-A-41 18 884 beschrieben.
Solche Kneter mit 2 Wellen erzielen durch die Anordnung der Knet- und Transportelemente eine hohe Selbstreinigung, die für eine kontinuierliche Polymerisation eine wichtige Anforderung ist. Vorzugsweise rotieren die beiden Wellen gegenläufig zueinander.
Auf der Rührwelle sind die Scheibensegmente propellerartig an­ geordnet. Als Knet- und Transportelemente sind z. B. wandgängige Mischbarren sowie L- oder U-förmig ausgeformte Aufsätze geeignet.
Der Mischkneter kann nach Bedarf beheizt oder gekühlt werden. Die Monomerlösung wird darin bei einer Temperatur in dem Bereich von 0 bis 140°C und unter Normaldruck polymerisiert. Bevorzugt beträgt die Temperatur 20 bis 120°C und insbesondere 40 bis 120°C. Die maximale Temperatur beträgt bei einer bevorzugten Verfahrens­ variante mindestens 70°C, besonders bevorzugt mindestens 80°C und insbesondere mindestens 90°C, die Abgastemperatur mindestens 60°C, besonders bevorzugt mindestens 80°C und insbesondere mindestens 90°C und die Produkttemperatur beim Austrag aus dem Reaktor min­ destens 60°C, besonders bevorzugt mindestens 75°C und insbesondere mindestens 85°C.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß der Anteil der Wärmeabfuhr durch Verdampfung von Wasser aus dem Reaktionsgemisch mindestens 15% und besonders bevorzugt min­ destens 25% der Reaktionswärme beträgt.
Ferner werden Verfahrensvarianten bevorzugt bei denen der Anteil der Wärmeabfuhr durch den Produktaustrag mindestens 45% und ins­ besondere mindestens 55% der Reaktionswärme beträgt.
Bevorzugt werden Verfahren, bei denen die Reaktionswärme zu ins­ gesamt mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 70% und insbesondere zu mindestens 90% durch Produktaustrag und Wasserverdampfung abgeführt wird.
Nach einer ganz besonders bevorzugten Verfahrensvariante findet keine Wärmeabfuhr über die Kühlung der Reaktorwände statt.
Das bei der Polymerisation anfallende Gel hat einen Wassergehalt von 0 bis 80 Gew.-%, bevorzugt von 40 bis 70 Gew.-%. Dieser rela­ tiv geringe Feuchtigkeitsgehalt bei bereits rieselfähigem Gel, das nicht verklumpt, senkt die anschließend zur Trocknung aufzu­ bringende Energie.
Das Herstellverfahren zeichnet sich durch geringe Verweilzeiten im Reaktor und damit eine gute Raum/Zeit Ausbeute aus. So werden selbst bei Verweilzeiten unter 30 Minuten bei einem Reaktor­ volumen von 300 l feinteilige gelförmige Polymerisate mit einem sehr geringen Restmonomergehalt gefunden. Dies erspart die sonst aufwendigen Abtrennverfahren und erhöht die Ausbeute. Besonders bevorzugt werden Verfahrensvarianten mit einem hohen Massendurch­ satz, der Verweilzeiten unter 20 Minuten und sogar unter 10 Minu­ ten ermöglicht.
Das den Reaktor verlassende Polymergel wird im Anschluß in einem Verweilbehälter bei Temperaturen von 50 bis 120°C vorzugsweise 80 bis 100°C gelagert. Die Verweilzeit beträgt in der Regel 0 bis 3 Stunden, vorzugsweise 5 bis 30 Minuten. Der Behälter kann ein nach oben offener Behälter sein, möglich ist jedoch auch ein ver­ schlossener Behälter, an den ein leichtes Vakuum angelegt wird.
Der Trocknungsschritt kann nach allen bekannten Verfahrensweisen erfolgen, z. B. in einer Wirbelschicht, auf einem Umlufttrock­ nungsband, Vakuumtrocknungsband oder mit Hilfe einer Mikrowellen­ trocknung, oder bevorzugt unter vermindertem Druck in einem ein­ welligen Kneter unter intensivem Durchkneten des Polymergels. Dieser Trocknungsschritt wird vorzugsweise in einem ein- oder mehrwelligen Kneter bei einem Druck von 5 bis 300, vorzugsweise 20 bis 70 mbar und Temperaturen von 30 bis 170°C durchgeführt. Nach dem Trocknen erhält man ein rieselfähiges Polymergel, das eine sehr hohe Wasseraufnahme hat und als Bodenverbesserungs­ mittel bzw. als Absorptionsmittel in Hygieneartikeln, z. B. Win­ deln Verwendung finden kann. Die in den Beispielen angegebenen Teile sind Gewichtsteile, die Angaben in Prozent beziehen sich auf das Gewicht der Stoffe.
Beschreibung der Testmethoden Zentrifugenretentionskapazität CRC
Zu Bestimmung der CRC wurden 0,2 g hydrogel-formendes Polymer (Kornfraktion 106-850 µm) in einem 60 × 85 mm großen Teebeutel eingewogen, der anschließend verschweißt wurde. Der Teebeutel wurde dann in einen Überschuß von 0,9 gew.-%iger Kochsalzlösung gegeben (mindestens 0,83 l Kochsalz Lösung/1 g hydrogel-formen­ des Polymer). Nach 30 Minuten Quellzeit wurde der Teebeutel aus der Kochsalz-Lösung genommen und bei 250 G drei Minuten zentrifu­ giert. Durch Wägung des zentrifugierten Teebeutels wurde die von dem hydrogel-formenden Polymer festgehaltene Flüssigkeitsmenge ermittelt.
Absorption unter Gewichtsbelastung AUL 0,7 psi (4826,5 Pa).
Die Meßzelle zur Bestimmung der AUL 0,7 psi (4826,5 Pa) ist ein Plexiglas-Zylinder mit einem Innendurchmesser von 60 mm und einer Höhe von 50 mm, der an der Unterseite einen angeklebten Edel­ stahl-Siebboden mit einer Maschenweite von 36 µm besitzt. Zu der Meßzelle gehört weiterhin eine Plastikplatte mit einem Durch­ messer von 59 mm und ein Gewicht, welches zusammen mit der Plastikplatte in die Meßzelle hineingestellt werden kann. Das Gewicht der Plastikplatte und des Gewichts beträgt zusammen 1345 g. Zur Durchführung der Bestimmung der AUL 0,7 psi (4826,5 Pa) wird das Gewicht des leeren Plexiglas-Zylinders und der Plastik­ platte gemessen und als Wo notiert. Dann werden 0,900 ± 0,005 g hydrogel-formendes Polymer (Korngrößenverteilung: 150-800 µm) in den Plexiglas-Zylinder eingewogen und möglichst gleichmäßig auf dem Edelstahl-Siebboden verteilt. Anschließend wird die Plexi­ glasplatte vorsichtig in den Plexiglaszylinder hineingelegt, die gesamte Einheit gewogen und das Gewicht als Wa notiert. Nun wird das Gewicht auf die Plastikplatte in dem Plexiglas-Zylinder gestellt. In die Mitte einer Petrischale mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Höhe von 30 mm wird eine keramische Filter­ platte mit einem Durchmesser von 120 mm und der Porosität 0 gelegt und soviel 0,9 gew.-%ige Natriumchlorid-Lösung eingefüllt, daß die Flüssigkeitsoberfläche mit der Filterplattenoberfläche abschließt, ohne das die Oberfläche der Filterplatte bedeckt wird. Anschließend wird ein rundes Filterpapier mit einem Durch­ messer von 90 mm und einer Porengröße < 20 µm (Schwarzband 589 von Schleicher & Schüll) auf die keramische Filterplatte gelegt. Der hydrogel-formendes Polymer enthaltende Plexiglaszylinder wird mit Plastikplatte und Gewicht nun auf das Filterpapier gestellt und dort für 60 Minuten belassen. Nach dieser Zeit wird die komplette Einheit aus der Petrischale vom Filterpapier herausgenommen und anschließend das Gewicht aus dem Plexiglaszylinder entfernt. Der gequollenes Hydrogel enthaltende Plexiglaszylinder wird zusammen mit der Plastikplatte ausgewogen und das Gewicht als Wb notiert. Die AUL 0,7 psi (4826,5 Pa) berechnet sich gemäß:
AUL 0,7 psi = [Wb - Wa]/[Wa - Wo].
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäß) Zusammensetzung der eingesetzten Reaktionslösung
40 Gew.-% Monomer, vor der Polymerisation bestehend aus Acryl­ säure und Natriumacrylat mit einem Neutralisationsgrad der Acryl­ säure von 77 mol-%. Es wurde Acrylsäure neutralisiert (Spezifika­ tion: mind. 99,5 Gew.-% Acrylsäure, max. 0,1 Gew.-% Wasser, max. 500 ppm Diacrylsäure, 180-200 ppm Monomethylhydrochinon­ ether, < 2000 ppm Essigsäure, < 600 ppm Propionsäure). Nach der Neutralisation wurde die Mischung maximal 6 Stunden gelagert ehe sie zur Polymerisation eingesetzt wurde. Zur Initiierung der radikalischen Polymerisation wurde folgendes System verwendet:
0,005 Gew.-% Wasserstoffperoxid und 0,006 Gew.-% Ascorbinsäure und 0,28 Gew.-% Natriumperoxodisulfat, wobei alle Mengenangaben auf die in der Reaktionslösung vorhandenen Monomere - ausgedrückt als Acrylsäure - bezogen sind. Als mehrfach ethylenisch unge­ sättigter Vernetzer wurde Polyethylenglykol-400-diacrylat (Cray Valley) in einer Einsatzmenge von 0,45 Gew.-% bezogen auf die in der Reaktionslösung vorhandenen Monomere - ausgedrückt als Acryl­ säure - verwendet. Der Vernetzer wurde zusammen mit der wäßrigen Monomerlösung gemischt und diese Lösung durch Einleiten von Stickstoff inertisiert.
Die einzelnen Komponenten dieser Reaktionslösung (verdünnte wäßrige Lösungen von Wasserstoffperoxid, Ascorbinsäure, Natrium­ peroxodisulfat und die Monomer/Vernetzerlösung) wurden getrennt in den Knetreaktor eindosiert und dort während des Einlaufens im Reaktor gemischt, wobei die Polymerisation schon während des Mischens zügig startete.
Es wurden 600 kg/h Reaktionslösung in einen List ORP 250 Conti­ kneter (Fa. List, Arisdorf, Schweiz) eingebracht und das im Kneter durch Polymerisation erzeugte Gel wurde kontinuierlich ausgetragen. Die Temperatur des Kühlwassers im Mantel betrug 40°C bei einem gesamten Kühlwasserdurchsatz durch den Mantel von 12 m3/h. Während der Polymerisation wurden 14 m3/h Stickstoff als Inertgas durch diesen Kneter geführt. Das Reaktionsvolumen betrug 300 l.
Der Reaktor wurde so betrieben, daß 62% der Reaktionswärme über die Reaktorwand durch die Mantelkühlung abgeführt wurde und 38% der Reaktionswärme durch das warme Produktgel ausgetragen wurde. Unter diesen Bedingungen fand kein Wärmeaustrag durch Wasserver­ dampfung statt.
Die Reaktionslösung hatte am Zulauf eine Temperatur von 23,5°C, und das Produktgel besaß am Austrag eine Temperatur von 64,5°C. Es wurden maximale Produkttemperaturen < 80°C im Reaktor gemessen. Die Verweilzeit des Produkts im Reaktor betrug unter 15 min.
Im erhaltenen Produktgel wurde analytisch ein Restacrylsäurege­ halt von 1,23 Gew.-% und ein Feststoffgehalt von 41,0 Gew.-% gefunden. Das Gel wurde getrocknet, gemahlen und durch sieben eine Korngrößenfraktion von 100-800 µm erhalten. Das getrocknete Polymer besaß eine Zentrifugenretentionskapazität von 38,8 g/g. Der pH-Wert des Polymers betrug 6,1.
Oberflächennachvernetzung
Anschließend wurden 20 g Polymer (Korngrößenfraktion 100-800 µm) in einem Labormischer (Waring-Mischer) mit Mischaufsatz und abge­ stumpften Mischblättern vorgelegt. Bei eingeschaltetem Mischer und niedriger Umdrehungszahl wurden 1 g Nachvernetzungslösung enthaltend 12 mg Ethylenglykoldiglycidylether gelöst in einer Mischung aus 33 Gew.-% 1,2-Propylenglykol und 67 Gew.-% Wasser zudosiert. Das feuchte Polymerpulver wurde danach dem Mischer entnommen und in einer Petrischale bei 150°C 60 Minuten lang im Umluftschrank getrocknet. Nach Absieben der Grobfraktion (< 800 Mikrometer) wurde das erhaltene Produkt anwendungstechnisch untersucht:
Zentrifugenretentionskapazität, CRC = 32,2 g/g
AUL 0,7 psi: 26,0 g/g.
Beispiel 2
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden 600 kg/h Reaktionslösung kontinuierlich polymerisiert, jedoch wurde die Temperatur des Kühlwassers im Reaktormantel auf 90°C geregelt und der Kühlmittel­ durchfluß wurde auf ca. 6 m3/h gedrosselt. Der Reaktor wurde so betrieben, daß 64% der Reaktionswärme über den Produktaustrag und 36% über die Verdampfung des Reaktionswassers abgeführt wur­ den. Es wurden Reaktionstemperaturen von 96-98°C im Reaktor festgestellt. Die Verweilzeit im Reaktor betrug unter 15 Minuten. Es fand keine Wärmeabfuhr über die Reaktorwand statt. Es wurde ein Restmonomerengehalt an Acrylsäure im Produktgel von 0,25 Gew.-% ermittelt bei einem Feststoffgehalt von 43,0 Gew.-%. Die Reaktoreintrittstemperatur der Reaktionslösung betrug 23,2°C, und die Reaktoraustrittstemperatur des erhaltenen Produktgels be­ trug 93,2°C.
Das erhaltene Gel wurde analog Bsp. 1 getrocknet, gemahlen, gesiebt und oberflächennachvernetzt. Die anwendungstechnischen Ergebnisse sind Tabelle 1 zu entnehmen. Das getrocknete Polymer hatte vor der Oberflächennachvernetzung eine Zentrifugenretenti­ onskapazität von 37,8 g/g und einen pH-Wert von 6,1.
Beispiel 3
Es wurde ein Versuch analog zu Beispiel 2 durchgeführt, jedoch wurden statt 600 kg/h nur 450 kg/h an Reaktionslösung dem Reaktor zugeführt. Die Verweilzeit im Reaktor betrug nun ca. 20 min.
Es wurde ein Restmonomerengehalt im Produktgel von 0,15 Gew.-% ermittelt bei einem Feststoffgehalt von 43,1 Gew.-%. Die Reaktor­ eintrittstemperatur der Reaktionslösung betrug 23,4°C, und die Re­ aktoraustrittstemperatur des erhaltenen Produktgels betrug 91,7°C. Es wurden maximale Reaktionstemperaturen von 95-97°C im Reaktor gemessen.
Das erhaltene Gel wurde analog Bsp. 1 getrocknet, gemahlen, ge­ siebt und oberflächennachvernetzt. Die anwendungstechnischen Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das getrocknete Polymer besaß vor der Oberflächennachvernetzung eine Zentrifugenreten­ tionskapazität von 39,5 g/g und einen pH-Wert von 6,1.
Beispiel 4
Es wurde ein Versuch analog zu Beispiel 2 durchgeführt.
Es wurde gefunden, daß der Restmonomerengehalt des Produktgels 0,30 Gew.-% betrug, während der Feststoffgehalt 42,9 Gew.-% be­ trug. Die Reaktoreintrittstemperatur der Reaktionslösung betrug 23,4°C, und die Reaktoraustrittstemperatur des erhaltenen Produkt­ gels betrug 93,2°C.
Das erhaltene Gel wurde analog Bsp. 1 getrocknet, gemahlen, gesiebt und oberflächennachvernetzt. Die anwendungstechnischen Ergebnisse sind in Tab. 2 aufgeführt. Das getrocknete Polymer besaß vor der Oberflächennachvernetzung eine Zentrifugenretenti­ onskapazität von 39,4 g/g und einen pH-Wert von 6,1.
Beispiel 5
Es wurde ein Versuch analog zu Beispiel 2 durchgeführt, jedoch wurden diesmal 750 kg/h Reaktionslösung dem Reaktor zugeführt. Die Verweilzeit im Reaktor betrug jetzt nur noch ca. 12 min.
Es wurde ein Restmonomergehalt des Produktgels von 0,25 Gew.-% und ein Feststoffgehalt von 43,0 Gew.-% ermittelt. Die Reaktor­ eintrittstemperatur der Reaktionslösung betrug 23,4°C, und die Re­ aktoraustrittstemperatur des erhaltenen Produktgels betrug 94,8°C. Es wurden maximale Produkttemperaturen von 97-99°C im Reaktor gemessen.
Das erhaltene Gel wurde analog Bsp. 1 getrocknet, gemahlen, ge­ siebt und oberflächennachvernetzt. Die anwendungstechnischen Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das getrocknete Polymer besaß vor der Nachvernetzung eine Zentrifugenretentionskapazität von 36,9 g/g und einen pH-Wert von 6,1.
Tabelle 1
Versuche mit und ohne Wärmeabfuhr über die Reaktorwandkühlung
Als gesamte "Reaktionswärme" wird die Summe der eigentlichen Po­ lymerisationswärme und des Wärmeeintrags ins Produkt durch mecha­ nische Rührung angenommen.
Tabelle 2
Versuche ohne Wärmeabfuhr über die Reaktorwandkühlung mit variiertem Eduktdurchsatz
Die Kühlwassertemperatur betrug bei allen Versuchen 90°C - die Edukteintrittstemperatur lag bei 22-24°C.
Als gesamte "Reaktionswärme" wird die Summe der eigentlichen Polymerisationswärme und des Wärmeeintrags ins Produkt durch mechanische Rührung angenommen.

Claims (9)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von vernetzten, feinteiligen, gelförmigen Polymerisaten durch Copoly­ merisieren von
  • a) wasserlöslichen, monoethylenisch ungesättigten Monomeren,
  • b) 0,001 bis 5 Mol-% bezogen auf die Monomere (a), mindes­ tens zwei ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen ent­ haltenden Monomeren und
  • c) 0 bis 20 Mol-% bezogen auf die Monomere (a) wasserun­ löslichen monoethylenisch ungesättigten Monomeren
in 20 bis 80 gew.-%iger wäßriger Lösung in Gegenwart von In­ itiator bei Temperaturen von 0 bis 140°C, wobei man die wäßrige Lösung der Monomeren zusammen mit dem Initiator und einem Inertgas kontinuierlich einem Mischkneter mit minde­ stens zwei achsparallel rotierenden Wellen zuführt, wobei sich auf den Wellen mehrere Knet- und Transportelemente befinden, die eine Förderung der am Anfang des Mischkneters zugegebenen Stoffe in axialer Richtung zum Ende des Mischers bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wärmeabfuhr durch Verdampfung von Wasser aus dem Reaktionsgemisch mindestens 5% der Reaktionswärme und der Anteil der Wärmeabfuhr durch Produktaustrag mindestens 25% der Reaktionswärme beträgt und die restliche Wärmeabfuhr über Kühlung der Reaktorwände er­ folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionswärme zu insgesamt mindestens 50% durch Produktaus­ trag und Wasserverdampfung abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massendurchsatz an Monomerlösung mindestens 1000 kg/hm3 und der Inertgasstrom mindestens 100 l/hm3 beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Monomere a) aus der Gruppe Acrylsäure, Meth­ acrylsäure sowie den Alkali- oder Ammoniumsalzen dieser Säuren, Acrylamid und/oder Methacrylamid sind.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Reaktorvolumen mindestens 0,10 m3 beträgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wellen des Mischkneters gegenläufig rotieren.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die maximale Temperatur im Reaktor mindestens 70°C, die Abgastemperatur mindestens 60°C und die Produkttemperatur beim Austrag aus dem Reaktor mindestens 60°C beträgt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß man als Inertgas Stickstoff, ein Edelgas, Kohlen­ monoxid, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid oder Mischungen dieser Gase einsetzt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß man das Inertgas ganz oder teilweise durch eine che­ mische Reaktion im Mischkneter erzeugt.
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