DE4207465A1 - Superabsorber (super-absorbent-polymer "sap") mit gegenueber dem stand der technik wesentlich verbesserter biologischer abbaubarkeit - Google Patents
Superabsorber (super-absorbent-polymer "sap") mit gegenueber dem stand der technik wesentlich verbesserter biologischer abbaubarkeitInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige, wasserabsorbierende Polymere (sogenannte
Superabsorber), die schnell biologisch abgebaut werden können und Verfahren zur ihrer
Herstellung.
Unter der Bezeichnung Superabsorber werden in der chemischen Technik Verbindungen
verstanden, die in der Lage sind, schnell große Mengen von Wasser unter Ausbildung stark
quellender, gelartiger Körper in ihre Struktur einzubinden, ohne dabei aber direkt in Lösung zu
gehen.
Obwohl auch bestimmte Zellulosederivate und andere abgewandelte Naturstoffe ähnliche
Eigenschaften aufweisen, wird der Begriff Superabsorber vorzugsweise für bestimmte polymere
Salze und Amide der Acrylsäuren verwendet.
Typische Vertreter dieser bekannten Produktgruppe sind die polymeren Alkali- und
Ammoniumsalze der Acrylsäure und Polyacrylamid, die durch Polymerisation aus den
entsprechenden Monomeren gewonnen werden. Sie stellen den Stand der Technik dar.
Um zu verhindern, daß diese an sich leicht in Wasser und wäßrigen Flüssigkeiten löslichen
Polymere bei dieser Anwendung in dem zu absorbierenden Medium in Lösung gehen, werden bei
der Polymerisation der Monomere geringe Mengen sogenannter mehrfunktioneller Monomere mit
der allgemeinen Struktur (CH2=CR1)n-R2 mit in das Reaktionsprodukt einpolymerisiert. Der
Fachmann bezeichnet diese Form der Mischpolymerisation unter Mitverwendung
mehrfunktioneller Monomere als "Vernetzung".
Durch den "Vernetzungsgrad" (definiert durch Funktionalität und Menge der einpolymerisierten
mehrfunktionellen Monomere) kann das Quellvermögen und damit die mögliche Wasseraufnahme
der so hergestellten Superabsorber sehr genau eingestellt werden.
Mit der beschriebenen Vernetzung wird zwangsläufig auch die Stabilität der Polymere gegenüber
chemischen und biologischen Abbaureaktionen erhöht. Für viele Anwendungen ist diese Erhöhung
der Beständigkeit aber mit erheblichen Nachteilen verbunden.
Eines der Hauptanwendungsgebiete der Superabsorber ist nämlich der Hygienebereich.
Superabsorber werden in diesem Anwendungsgebiet als Hilfsmittel verwendet, die in der Lage
sind flüssige Körperausscheidungen schnell aufzunehmen. Als typische Anwendung für diese
Produkte sind Wegwerfwindeln bekannt, bei denen Superabsorber, aufgebracht auf Trägerstoffe
wie z. B. Faservliese aus Zellulose oder Kunststoff, Urin durch Absorption binden können.
Durch die hohe Beständigkeit der als Superabsorber nach dem Stand der Technik verwendeten
Produkte auf Basis der beschriebenen, mehr oder weniger stark vernetzten, Polyacrylate wird der
im Sinne der Vermeidung langlebiger Abfälle erwünschte schnelle biologische Abbau dieser
Stoffe verhindert.
Der Erfindung nach diesem Anspruch liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Superabsorber
herzustellen, die diesen prinzipiellen Nachteil der nach dem Stand der Technik bekannten
Produkte vermeiden, ohne daß das hervorragende Bindevermögen für Wasser, daß die
Superabsorber auf Basis der polymeren Acrylamide, Alkali- und Ammoniumsalze der Acrylsäuren
auszeichnet, eingeschränkt wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst.
Es ist bekannt, ethylenisch ungesättigte Gruppen mit der allgemeinen Formel CH2=CR1-R2
durch Propfreaktionen an bestimmte Naturstoffe oder abgewandelte Naturstoffe oder
Verbindungen wie z. B. Polyvinylalkohol anzulagern. Solche bekannte Reaktionen sind z. B. die
Einführung von Allyl- oder Acrylgruppen in Zellulose, Stärke oder Eiweißmoleküle. Durch den
Einbau der reaktionsfähigen Doppelbindung wird das dotierte Molekül der Copolymerisation mit
anderen, ethylenisch ungesättigten Monomeren zugänglich.
Neu und überraschend ist aber, daß durch Anlagerung mehrerer ungesättigter Gruppen an
Moleküle dieser Naturstoffe oder Polyvinylalkohol, ausreichend wirksame (mehrfunktionelle)
Vernetzer für Superabsorber hergestellt werden können, die zu biologisch sehr leicht abbaubaren
Endprodukten führen.
Die leichte biologische Abbaubarkeit dieser Produkte nach dem Anspruch der vorliegenden
Erfindung erklärt sich aus der Tatsache, daß die Grundstruktur der als Vernetzer verwendeten,
abgewandelten Naturstoffe durch die Anlagerung der ethylenisch ungesättigten Gruppen
praktisch nicht verändert wird. Die reaktionsfähigen, ungesättigten Gruppen werden vielmehr
nur seitenständig angelagert. Die Grundstruktur der zur Dotierung verwendeten, beschriebenen
Stoffe, die wie jedem Fachmann bekannt leicht und schnell durch Einwirkung von
Mikroorganismen zerstört werden kann, bleibt dem Angriff dieser zerstörend wirkenden
Organismen deshalb praktisch unverändert erhalten.
Der weitere Abbau der verbleibenden Polymerketten durch Hydrolyse und die Einwirkung von
Mikroorganismen wird dadurch erheblich erleichtert. Dieser erwünschte weiterführende Abbau
der verbleibenden Polymerketten wird bei den Superabsorbern nach dem Anspruch dieser
Erfindung noch zusätzlich dadurch verbessert, daß vorzugsweise Monomere verwendet werden,
die Stickstoff in Form von Amin-, Amid- oder Ammoniumgruppen enthalten. Es ist bekannt, daß
Verbindungen, die diese Atomgruppierungen enthalten, besonders leicht biologischen
Abbaureaktionen zugänglich sind.
Als geeignete Naturstoffe (bzw. durch Aufschluß nach allgemein aus der Literartur bekannten
Verfahren modifizierte/abgewandelte Naturstoffe) zur Herstellung von vernetzend wirksamen
Reaktionspartnern für die Copolymerisation mit Acrylamiden oder den Alkali-/Ammoniumsalzen
der Acrylsäuren lassen sich die Polysaccharide einsetzen. Bevorzugte natürliche Polysaccharide
bzw. diese enthaltende Naturstoffe sind diejenigen aus der Gruppe der Poly-α-glykosen wie
Stärken, Amylosen, Amylopektine, Dextrine, Dextrane und Pullulane, aus der Gruppe der
Polygalactosen wie Gummi-arabicum, Agar-Agar, Traganth, Carrageein und Pektine, und aus der
Gruppe der Polymannosen wie Carubin, Taragummi, Algin, Alginsäure und Guar
(Galactomannose). Auch - der natürlich nicht den beschriebenen Naturstoffen zuzuordnende, ihnen
aber in vieler Hinsicht ähnliche, Polyvinylkohol wird als geeignet hier noch einmal ausdrücklich
erwähnt.
Als besonders geeignete, abgewandelte Naturstoffe zur Herstellung der vernetzend wirkenden
Bestandteile der neuen Superabsorber nach dem Anspruch dieser Erfindung haben sich Proteine
wie z. B. Gelatine erwiesen, die deshalb besonders bevorzugte Ausgangsstoffe für die Herstellung
vernetzend wirkender Reaktionsprodukte für die zur Herstellung der Superabsorber notwendigen
Monomere sind. Ganz besonders bevorzugt sind Gelatinehydrolysate mit (niedrigen)
Molgewichten zwischen 100 und 10 000, die vorzugsweise durch gezielten, dem Fachmann
bekannten, enzymatischen Abbau aus Gelatine mit höherem Molgewichten gewonnen werden.
Die Einführung der reaktionsfähigen, ethylenisch ungesättigten Gruppen (Propfung) an die
Molekülstruktur der erwähnten Naturstoffe, abgewandelten oder modifizierten Naturstoffe und an
synthetische Polymere wie den ausdrücklich erwähnten Polyvinylalkohol erfolgt durch die dem
Fachmann bekannte Umsetzung dieser Stoffe mit Verbindungen wie z. B. Allylchlorid oder
Acrylchlorid.
Literaturhinweise: Rauch-Puntigam/Völker "Acryl- und Methacrylverbindungen" Springer-Vlg. Berlin 1967
Ulmann (Hrsg)/R. Köhler "Handbuch der Stärke. V-1-Stärkeklebstoffe" Parey-Vlg. Berlin 1971.
Ulmann (Hrsg)/R. Köhler "Handbuch der Stärke. V-1-Stärkeklebstoffe" Parey-Vlg. Berlin 1971.
Gelatine ist nicht nur über die im Proteinmolekül vorhandenen OH-Gruppen den bereits
beschriebenen Umsetzungen mit Acryl/Allylchlorid zugänglich. Auf besonders einfache und
elegante Art können in das Proteinmolekül reaktionsfähige Acrylgruppen durch Umsetzung der in
der Proteinstruktur enthaltenen Aminosäuren mit Epoxyacrylaten wie z. B. Acrylsäure
glycidylester (Acrylsäure-2,3-epoxypropylester; 2,3-Epoxypropylacrylat) eingeführt werden. Auch
diese Umsetzung ist dem Fachmann bekannt und nicht Bestandteil des erfindungsgemäßen
Anspruchs. Acrylderivatisierte Gelatine wird als vernetzender Bestandteil der neuen
Superabsorber nach dem Anspruch dieser Erfindung besonders bevorzugt, weil Proteine - wie
allgemein bekannt - besonders leicht und schnell biologischen Abbauprozessen zugänglich sind.
Ein weiterer Vorteil der mit Acrylgruppen derivatisierten Gelatine als Vernetzer in den neuen
Superabsorbern nach dem Anspruch dieser Erfindung, ist ihre einfache und schnelle
Copolymerisation mit den zur Herstellung der neuen Superabsorbern notwendigen Monomeren,
die sehr wirtschaftliche Produktionstechniken möglich macht.
So ist es z. B. möglich, das Gemisch aus Monomeren und Vernetzer innerhalb von Sekunden durch
schnelles Erhitzen - z. B. unter Einwirkung von Mikrowellen - oder durch energiereiche Strahlung
(Elektronenstrahlung oder UV-Licht) zu polymerisieren und das resultierende Produkt sofort
weiterzuverarbeiten. Diese Techniken werden als Verfahren zur Herstellung der neuen
Superabsorber nach dem Anspruch dieser Erfindung besonders bevorzugt.
In den nachfolgenden Beispielen werden die neuen Superabsorber nach dem Anspruch dieser
Erfindung und Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben.
Es wird ein Reaktionsprodukt hergestellt aus 100 GT Acrylsäure und 100 GT wäßriger
handelsüblicher Ammoniaklösung (25%ig). In dem resultierenden Ammoniumacrylat werden 22
GT einer durch Hydrolyse abgebauten Gelatine mit einem Molgewicht von ca. 2000, die durch
Umsetzung mit Acrylglycidylester mit 8 CH2=CH-R Gruppen je Mol derivatisiert wurde und
60%ig in Wasser vorliegt, gelöst.
Der Mischung werden 3 GT Natriumperoxodisulfat als Initiator und 1 GT Triethanolamin als
Redoxkatalysator zugemischt und die Mischung sofort in eine Wanne zu einem ca. 5 mm dicken
Film ausgegossen und auspolymerisiert. Das verfestigte Produkt wird getrocknet und zu einem
Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 µm vermahlen.
Der resultierende Superabsorber zeichnet sich durch eine hohe Wasseraufnahme unter
Ausbildung eines stabilen Gelkörpers mit starker Quellwirkung aus. Nach Lagerung in einfacher
Blumenerde (Handelsware) ist das Produkt nach nur 8 Wochen praktisch vollständig abgebaut.
Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren. Statt des Redoxkatalysators wird die Mischung
ca. 240 Sek. in einem Mikrowellengerät mit einer Leistung von 2 kW erhitzt, sie polymerisiert
dabei aus und wird bis auf einen Restwassergehalt von 10% getrocknet. Das Produkt kann
anschließend sofort vermahlen werden.
Der resultierende Superabsorber zeichnet sich durch eine hohe Wasseraufnahme unter
Ausbildung eines stabilen Gelkörpers mit starker Quellwirkung aus. Nach Lagerung in einfacher
Blumenerde (Handelsware) ist das Produkt nach nur 8 Wochen praktisch vollständig abgebaut.
Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren. Statt des Peroxodisulfates wird der Mischung ca.
1% eines handelsüblichen, wasserlöslichen UV-Initiators zugemischt, die Mischung auf einem
Endlosband zu einem ca. 100 µm dicken Film ausgegossen und unter einer UV-Strahlenquelle mit
auf den UV-Initiator abgestimmten Wellenlänge durchgeführt. Transportgeschwindigkeit 3
mtr/Minuten. Die Masse
polymerisiert dabei aus und wird anschließend bis auf einen Restwassergehalt von 10%
getrocknet und vermahlen.
Der resultierende Superabsorber zeichnet sich durch eine hohe Wasseraufnahme unter
Ausbildung eines stabilen Gelkörpers mit starker Quellwirkung aus. Nach Lagerung in einfacher
Blumenerde (Handelsware) ist das Produkt nach nur 8 Wochen praktisch vollständig abgebaut.
Es wird wie in den Beispielen 1 bis 3 beschrieben verfahren, jedoch die Ammoniaklösung gegen 70
GT einer 33%igen NaOH-Lösung in Wasser ausgetauscht. Der resultierende Superabsorber aus
schwach vernetztem Natriumpolyacrylat zeichnet sich durch eine hohe Wasseraufnahme unter
Ausbildung eines stabilen Gelkörpers mit starker Quellwirkung aus. Nach Lagerung in einfacher
Blumenerde (Handelsware) ist das Produkt nach nur 8 Wochen bereits deutlich abgebaut.
Es wird wie in den Beispielen 4-6 verfahren, wobei jedoch NaOH gegen die molar gleiche Menge
KOH-Lösung ausgetauscht wurde. Das Ergebnis entsprach - wie zu erwarten war - dem Ergebnis
der Beispiele 4-6.
Es wird eine Mischung hergestellt aus 200 GT einer 60%igen Lösung von Acrylamid in Wasser und
25 GT einer durch Hydrolyse abgebauten Gelatine mit einem Molgewicht von ca. 2000, die durch
Umsetzung mit Acrylglycidylester mit 8 CH2=CH-Gruppen je Mol derivatisiert wurde und 60%ig
in Wasser vorliegt, gelöst.
Der Mischung werden 3 GT Natriumperoxodisulfat als Initiator und 1 GT Triethanolamin als
Redoxkatalysator zugemischt und die Mischung sofort in eine Wanne zu einem ca. 5 mm dicken
Film ausgegossen und auspolymerisiert. Das verfestigte Produkt wird getrocknet und zu einem
Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 µm vermahlen.
Der resultierende Superabsorber zeichnet sich durch eine hohe Wasseraufnahme unter
Ausbildung eines stabilen Gelkörpers mit starker Quellwirkung aus. Nach Lagerung in einfacher
Blumenerde (Handelsware) ist das Produkt nach nur 8 Wochen praktisch vollständig abgebaut.
Es wurde eine Mischung nach Beispiel 10 hergestellt und wie in Beispiel 2 und 3 beschrieben
verfahren. Das Ergebnis entsprach wie zu erwarten war den Ergebnissen nach den Beispielen 2
und 3.
Die Bestandteile der Rezeptur nach Beispiel 1 werden wie in der Zeichnung nach Anlage 1
dargestellt in eine Reaktionseinrichtung, die im wesentlichen aus einem rohrartigen Körper mit
einem innenliegenden statischen Mischwerkzeug besteht, kontinuierlich eindosiert, dort zur
Reaktion gebracht und sofort mit einer Gießvorrichtung (Schlitzdüse) auf ein umlaufendes
Endlosband ausgetragen, wo sie sofort spontan polymerisieren. Nach dem Durchlaufen einer
Trockenzone können sie sofort zu einem Superabsorber mit Eigenschaften analog Beispiel 1
vermahlen werden.
Die Bestandteile der Rezeptur nach Beispiel 2 werden wie in der Zeichnung nach Anlage 2
dargestellt in eine Reaktionseinrichtung, die im wesentlichen aus einem rohrartigen Körper mit
einem innenliegenden statischen Mischwerkzeug besteht, kontinuierlich eindosiert, dort zur
Reaktion gebracht und sofort mit einer Gießvorrichtung (Schlitzdüse) auf ein umlaufendes
Endlosband ausgetragen, wo sie in einem Mikrowellenfeld innerhalb von 240 Sekunden
polymerisieren und trocknen. Sie können dann sofort zu einem Superabsorber mit Eigenschaften
analog Beispiel 2 vermahlen werden.
Die Bestandteile der Rezeptur nach Beispiel 3 werden wie in der Zeichnung nach Anlage 3
dargestellt in eine Reaktionseinrichtung, die im wesentlichen aus einem rohrartigen Körper mit
einem innenliegenden statischen Mischwerkzeug besteht, kontinuierlich eindosiert, dort zur
Reaktion gebracht und sofort mit einer Gießvorrichtung (Schlitzdüse) auf ein umlaufendes
Endlosband ausgetragen, wo sie eine Belichtungszone mit UV-Strahlern durchläuft, deren
Wellenlänge auf den in die Mischung eindosierten UV-Initiator abgestimmt ist.
Transportgeschwindigkeit 3 mtr/Minuten. Die Masse polymerisiert dabei aus und wird
anschließend bis auf einen Restwassergehalt von 10% getrocknet und vermahlen. Sie kann dann
sofort zu einem Superabsorber mit Eigenschaften analog Beispiel 3 vermahlen werden.
Diese Beispiele stehen nur exemplarisch für die neuen Produkte nach dem Anspruch dieser
Erfindung. Jedem Fachmann wird es möglich sein, unter Abwandlung der erfindungsgemäß
mitgeteilten Parameter - der Herstellung von Superabsorbern durch Copolymerisiation von
Acrylamiden oder Alkali-/Ammoniumsalzen der Acrylsäuren mit abgewandelten Naturstoffen, die
mit ethylenisch ungesättigten Gruppen derivatisiert sind und als vernetzend wirkende
Komponente wirken und/oder durch ihre biologischen Abbaureaktionen leicht zugängliche
Struktur eine rasche Aufspaltung der Polymeren möglich machen, die in den Beispielen be
schriebenen Produkte auf vielfältige Art abzuwandeln.
Dies gilt insbesondere für die in den Beschreibungen genannten Mol-Verhältnisse der
Reaktionspartner.
Der Anspruch aus dieser Erfindung wird ausdrücklich auch auf diese möglichen Ausgestaltungen
der Erfindung nach diesem Anspruch erhoben.
Claims (9)
1. Superabsorber, hergestellt durch Mischpolymerisation von Alkali- oder Ammoniumacrylaten der
allgemeinen Formel CH2=CR1-R2 und/oder Acrylamid mit durch angelagerte ethylenisch
ungesättigte Gruppen der allgemeinen Formel CH2=C-R derivatisierten abgewandelten
Naturstoffen aus der Familie der Stärken, Zellulosen, Proteine, dadurch gekennzeichnet, daß die
einpolymerisierten abgewandelten Naturstoffe die biologische Abbaubarkeit der durch die
Mischpolymerisation resultierenden Produkte deutlich verbessern oder überhaupt erst in
überschaubaren Zeiträumen möglich machen.
2. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ethylenisch
ungesättigten Gruppen dotierten abgewandelten Naturstoffe durch ihren Derivatisierungsgrad
(die Anzahl der ethylenisch ungesättigten Gruppen pro Mol) vernetzend auf die Polymerketten der
acrylsauren Salze oder Acrylamide wirken.
3. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mit
ethylenisch ungesättigten Gruppen derivatisierter, abgewandelter Naturstoff Protein,
vorzugsweise Gelatine, besonders bevorzugt abgebaute (hydrolisierte) Gelatine verwendet wird.
Das Molgewicht der hydrolisierten Gelatine kann zwischen 500 und 10 000 liegen.
4. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelatine mit 2 bis 40
ethylenisch ungesättigten Gruppen pro Mol derivatisiert ist.
5. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten
abgewandelten Naturstoffe auch als Stoffgemisch vorliegen können.
6. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die
Polymerisation durch an sich bekannte Radikalstarter initiiert wird. Als geeignete Radikalstarter
werden genannt Azo-Verbindungen, Peroxyde, Peroxoverbindungen und die aus der Literatur und
Firmenschriften bekannten Initiatoren für ESH (Elektronenstrahlhärtung) und UV-Härtung.
7. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktionsgemisch chargenweise hergestellt und danach polymerisiert wird.
8. Superabsorber hergestellt nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktionsgemisch in einem kontinuierlichen Prozeß hergestellt und sofort polymerisiert werden
kann.
9. Verfahren zur Herstellung der Superabsorber nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktionsgemisch auf ein Endlosband ausgetragen und durch Durchlaufen einer
Reaktionszone, bei der Energie in Form von Strahlung auf das Produkt einwirkt und dadurch die
Polymerisation initiiert und ggfs. bereits das polymere Produkt trocknet. Als Strahlungsenergie
können Infrarotstrahlung, UV-Strahlung Mikrowellen oder Elektronenstrahlen (ESH-Verfahren)
eingesetzt werden.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19924207465 DE4207465A1 (de) | 1992-03-10 | 1992-03-10 | Superabsorber (super-absorbent-polymer "sap") mit gegenueber dem stand der technik wesentlich verbesserter biologischer abbaubarkeit |
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8130 | Withdrawal |