JP5290413B2 - 吸水性ポリマー粒子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、重合、乾燥、粉砕、分級、および分級の際に生じる篩下粒子の返送を含む吸水性ポリマー粒子の製造方法であって、返送される篩下粒子が還元剤および/または無機粒子で被覆されている方法に関する。
吸水性ポリマーは、おむつ、タンポン、生理用ナプキンおよびその他の衛生用品を製造するために、あるいはまた保水材として農業園芸分野においても使用されている。吸水性ポリマーは高吸収体とも呼ばれており、架橋度が高いためにもはや可溶性ではない親水性ポリマーからなっている。
吸水性ポリマーの製造は、例えばF.L.BuchholzおよびA.T.Grahamの単著"Modern Superabsorbent Polymer Technology"、Wiley−VCH、1998年、第71〜103頁、およびUllmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry、第6版、第35巻、第73〜93頁に記載されている。
吸水性ポリマー粒子の特性はたとえば使用される架橋剤量によって調整することができる。架橋剤量が増加すると、遠心分離保持容量(CRC)は低下し、かつ21.0g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.3psi)は最大値を通過する。
その適用特性、たとえばオムツ中での膨潤したゲル床の透過性(SFC)および49.2g/cm2(AUL0.7psi)の加圧下での吸収を改善するために、吸水性ポリマーは一般に、表面後架橋される。これにより粒子表面の架橋度が上昇し、これによって49.2g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.7psi)および遠心分離保持容量(CRC)を、少なくとも部分的に分離することができる。この表面後架橋は、水性のゲル相中で実施することができる。しかし有利には乾燥させ、粉砕し、かつ分級した吸水性ポリマー粒子(ベースポリマー)の表面を、表面後架橋剤によって被覆し、かつ熱により表面後架橋する。
吸水性ポリマー粒子は、粉末状で粒状の製品として、有利には衛生用品の分野において使用される。ここではたとえば150〜850μmの粒径が使用され、かつ粒子状のポリマー材料はすでにその製造プロセスにおいてこの粒径に分級される。この場合、少なくとも2つの篩を有する、連続的に運転される篩い分け装置が使用され、その際、150〜850μmのメッシュ幅を有する篩が使用される。その際に、両方の篩によって150μm未満の粒径を有する粒子が生じ、これらは篩い分け装置の底部で篩下粒子として回収され、排出され、かつ返送される。850μmより大きい粒径を有する粒子は、篩上粒子として一番上の篩上に残留し、かつ排出されてから改めて粉砕され、かつ返送される。150μmより大きく、850μmまでの粒径を有する生成物フラクションが、篩い分け装置の2つの篩の間の中間粒子として取り出される。
分級の際に生じる篩下粒子および篩上粒子は通常、製造プロセスに返送される。篩下粒子の返送は、たとえばEP0463388A1、EP0496594A2、EP0785224A2、EP1878761A1およびUS5,064,582に記載されている。
EP0463388A1は、篩下粒子を少量、固体含有率の低いポリマーゲルに添加することによって、高い固体含有率を有する、ポンプ輸送可能なポリマーゲルが得られることを記載している。
EP0496594A2は、重合反応器への篩下粒子の返送を教示している。
EP0785224A2は、重合の際に生じたポリマーゲルへの篩下粒子の返送を記載しており、この場合、界面活性剤が添加される。
EP1878761A1は、水溶性の多価金属塩により被覆された篩下粒子を返送する方法を開示している。この篩下粒子はたとえば混練機によってポリマーゲルに混合することができる。
US5,064,582は、篩下粒子の返送方法を開示しており、この場合、篩下粒子は返送前に水と混合される。
本発明の課題は、吸水性ポリマー粒子の製造の際に生じる篩下粒子を返送するための改善された方法を提供することであった。
前記課題は、
a)少なくとも1のエチレン性不飽和の、酸基を有するモノマー、これは少なくとも部分的に中和されていてよい、
b)少なくとも1の架橋剤、
c)少なくとも1の開始剤、
d)場合により1もしくは複数の、a)に記載したモノマーと共重合可能なエチレン性不飽和モノマー、および
e)場合により1もしくは複数の水溶性ポリマー
を含有するモノマー溶液またはモノマー懸濁液の重合により、吸水性ポリマー粒子を製造する方法であって、以下の工程:
i)モノマー溶液またはモノマー懸濁液を重合してポリマーゲルを得る工程、
ii)ポリマーゲルを乾燥させる工程、
iii)乾燥させたポリマーゲルを粉砕する工程、および
iv)分級し、その際、篩下粒子を分離する工程
を有し、この場合、分離した篩下粒子は、少なくとも部分的に工程ii)の前に返送される吸水性ポリマー粒子の製造方法において、返送される篩下粒子の少なくとも一部の量が、少なくとも1の還元剤および/または無機粒子により被覆されていることを特徴とする、吸水性ポリマー粒子の製造方法によって解決された。
吸水性ポリマー粒子は有利には分級iv)の前に表面後架橋され、ならびに特に有利には表面後架橋の前に付加的に分級され、その際、同様に篩下粒子が分離される。
表面後架橋の前に分離される篩下粒子も、表面後架橋の後に分離される篩下粒子も、有利にはプロセスに返送され、特に有利には混合物として返送される。混合比に制限はないが、しかし表面後架橋されていない篩下粒子の割合はできる限り高いことが望まれる。
返送すべき篩下粒子は有利には分級iv)の前に、還元剤および/または無機粒子によって被覆され、特に有利には表面後架橋の後に被覆される。この場合、篩下粒子は生成物フラクションと一緒に被覆される。これは、生成物特性の更なる改善につながる。
特に有利であるのは、重合i)の後での篩下粒子の返送、つまり重合反応器と乾燥機との間の別個の装置への返送である。このために適切な装置はたとえば混練機および押出機である。
還元剤および/または無機粒子により被覆された篩下粒子の返送量は、そのつどモノマー溶液の固体含有率に対して、有利には1〜20質量%、特に有利には2〜15質量%、とりわけ有利には5〜10質量%である。固体含有率は、重合後に揮発性でない全ての成分の合計である。これらはモノマーa)、架橋剤b)、開始剤c)、モノマーd)およびポリマーe)である。
還元剤の量は、そのつど被覆される篩下粒子に対して、有利には0.01〜5質量%、特に有利には0.05〜2質量%、とりわけ有利には0.1〜1質量%である。
還元剤に制限はない。適切な還元剤はたとえば亜硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム(ナトリウムの亜硫酸水素塩)、ジチオン酸ナトリウム、スルフィン酸、およびこれらの塩、アスコルビン酸、次亜リン酸ナトリウム、亜リン酸ナトリウム、ならびにホスフィン酸およびこれらの塩である。しかし有利には次亜リン酸の塩、たとえば次亜リン酸ナトリウム、およびスルフィン酸の塩、たとえば2−ヒドロキシ−2−スルフィナト酢酸の二ナトリウム塩を使用する。
還元剤は通常、適切な溶剤、たとえば水中での溶液として使用する。
無機粒子の量は、そのつど被覆される篩下粒子に対して、有利には0.05〜5質量%、特に有利には0.1〜2質量%、とりわけ有利には0.2〜1質量%である。
適切な無機粒子はたとえば硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、粘土鉱物、硫酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸カリウムアルミニウム(カリウムミョウバン)、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、硫酸ナトリウムアルミニウム(ナトリウムミョウバン)、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、ケイソウ土、二酸化チタン、砂およびゼオライトである。しかし有利には水不溶性の無機粒子、たとえば熱分解法シリカおよび水不溶性の金属リン酸塩、たとえばリン酸カリウムを使用する。この場合、水不溶性とは、23℃の水中で、1g/100g水未満、有利には0.5g/100g水未満、特に有利には0.1g/100g水未満、とりわけ有利には0.05g/100g水未満の溶解度を意味する。
無機粒子は、有利には400μm未満、特に有利には100μm未満、とりわけ有利には50μm未満の平均粒径を有する。水不溶性の無機粒子は、水性分散液として使用することもできる。
結晶質の無機固体は有利には10μmより大きな粒径を有する。篩下粒子を被覆するために使用することができる装置に制限はない。可動の混合装置を備えた適切な混合機はたとえばスクリューミキサー、ディスク型ミキサー、およびパドル型ミキサーである。
回転する混合装置を備えた混合機は、回転軸の、生成物流の方向に対する位置に従って、縦型ミキサーと水平型ミキサーとに分類される。有利には水平型ミキサーを使用する。特に有利には連続式の水平型ミキサー(貫流式ミキサー)を使用する。
水平型ミキサー中での滞留時間は、有利には1〜180分、特に有利には2〜60分、とりわけ有利には5〜20分である。
水平型ミキサー中の混合装置の円周速度は、有利には0.1〜10m/s、特に有利には0.5〜5m/s、とりわけ有利には0.75〜2.5m/sである。
吸水性ポリマー粒子は水平型ミキサー中で、有利には0.01〜6、特に有利には0.05〜3、とりわけ有利には0.1〜0.7のフルード数に相応する速度で移動する。
被覆のためには有利には熱的に絶縁された、かつ/または随伴的に加熱され、有利には生成物床の表面下に終端を有する2流体ノズルを使用する。
以下では、通常は水不溶性の、吸水性ポリマー粒子の製造を詳細に説明する。
モノマーa)は有利には水溶性である、つまり水中での溶解度は23℃で一般に少なくとも1g/100g水、有利には少なくとも5g/100g水、特に有利には少なくとも25g/100g水、とりわけ有利には少なくとも35g/100g水である。
適切なモノマーa)はたとえばエチレン性不飽和カルボン酸、たとえばアクリル酸、メタクリル酸、およびイタコン酸である。特に有利なモノマーは、アクリル酸およびメタクリル酸である。とりわけ有利であるのはアクリル酸である。
その他の適切なモノマーa)は、たとえばエチレン性不飽和スルホン酸、たとえばスチレンスルホン酸および2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)である。
不純物は、重合に著しい影響を与えうる。従って、使用する原料はできる限り高い純度を有しているべきである。従って、モノマーa)を特別に精製することはしばしば有利である。適切な精製法はたとえばWO2002/055469A1、WO2003/078378A1、およびWO2004/035514A1に記載されている。適切なモノマーa)は、たとえばWO2004/035514A1によれば、アクリル酸99.8460質量%、酢酸0.0950質量%、水0.0332質量%、プロピオン酸0.0203質量%、フルフラール0.0001質量%、無水マレイン酸0.0001質量%、ジアクリル酸0.0003質量%およびヒドロキノンモノメチルエーテル0.0050質量%を含有する精製されたアクリル酸である。
モノマーa)の全量におけるアクリル酸および/またはその塩の割合は有利には少なくとも50モル%、特に有利には少なくとも90モル%、とりわけ有利には少なくとも95モル%である。
モノマーa)は通常、重合防止剤、有利にはヒドロキノン半エーテルを貯蔵安定剤として含有している。
モノマー溶液はそのつど中和されていないモノマーa)に対して、有利には250質量ppmまで、好ましくは最大で130質量ppm、特に有利には最大で70質量ppm、有利には少なくとも10質量ppm、特に有利には少なくとも30質量ppm、特に50質量ppm程度のヒドロキノン半エーテルを含有している。たとえばモノマー溶液を製造するために、ヒドロキノン半エーテルを相応する含有率で含有しているエチレン性不飽和の酸基を有するモノマーを使用することができる。
有利なヒドロキノン半エーテルはヒドロキノンモノメチルエーテル(MEHQ)および/またはα−トコフェロール(ビタミンE)である。
適切な架橋剤b)は、架橋に適切な基を少なくとも2つ有している化合物である。このような基はたとえばポリマー鎖中にラジカル共重合することができるエチレン性不飽和基、およびモノマーa)の酸基と共有結合を形成することができる官能基である。さらに、モノマーa)の少なくとも2つの酸基と共有結合を形成することができる多価の金属塩も架橋剤b)として適切である。
架橋剤b)は、有利には、ポリマーの網状構造にラジカル共重合することができる重合可能な基を少なくとも2つ有する化合物である。適切な架橋剤b)は、たとえばエチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、アリルメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリアリルアミン、テトラアリルアンモニウムクロリド、テトラアリルオキシエタン、たとえばEP0530438A1に記載のもの、ジアクリレートおよびトリアクリレート、たとえばEP0547847A1、EP0559476A1、EP0632068A1、WO93/21237A1、WO2003/104299A1、WO2003/104300A1、WO2003/104301A1およびDE10331450A1に記載のもの、アクリレート基以外に別のエチレン性不飽和基を含有する混合されたアクリレート、たとえばDE10331456A1およびDE10355401A1に記載のもの、または架橋剤混合物、たとえばDE19543368A1、DE19646484A1、WO90/15830A1およびWO2002/032962A2に記載のものである。
有利な架橋剤b)はペンタエリトリットアリルエーテル、テトラアロキシエタン、メチレンビスメタクリルアミド、エトキシ単位を15個有するトリメチロールプロパントリアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートおよびトリアリルアミンである。
とりわけ有利な架橋剤b)は、アクリル酸またはメタクリル酸によりジアクリレートまたはトリアクリレートへとエステル化される、複数回エトキシ化および/またはプロポキシ化されたグリセリン、たとえばWO2003/104301A1に記載のものである。特に有利であるのは、エトキシ単位を3〜10個有するグリセリンのジアクリレートおよび/またはトリアクリレートである。とりわけ有利であるのは、エトキシ単位および/またはプロポキシ単位を1〜5個有するグリセリンのジアクリレートまたはトリアクリレートである。最も有利であるのは、エトキシ単位および/またはプロポキシ単位を3〜5個有するグリセリンのトリアクリレート、とりわけエトキシ単位を3個有するグリセリンのトリアクリレートである。
架橋剤b)の量はそのつどモノマーa)に対して有利には0.05〜1.5質量%、特に有利には0.1〜1質量%、とりわけ有利には0.3〜0.6質量%である。架橋剤の含有率が高まるにつれて、遠心分離保持容量(CRC)は低下し、かつ21.0g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.3psi)は最大値を通過する。
開始剤c)として、重合条件下にラジカルを発生する全ての化合物、たとえば熱開始剤、レドックス開始剤、光開始剤を使用することができる。適切なレドックス開始剤はペルオキソ二硫酸ナトリウム/アスコルビン酸、過酸化水素/アスコルビン酸、ペルオキソ二硫酸ナトリウム/二亜硫酸ナトリウム、および過酸化水素/二亜硫酸ナトリウムである。有利には熱開始剤とレドックス開始剤とからなる混合物、たとえばペルオキソ二硫酸ナトリウム/過酸化水素/アスコルビン酸を使用する。しかし還元成分として有利には2−ヒドロキシ−2−スルフィナト酢酸のナトリウム塩、2−ヒドロキシ−2−スルホナト酢酸の二ナトリウム塩および二亜硫酸ナトリウムからなる混合物を使用する。このような混合物はBrueggolite(登録商標)FF6およびBrueggolite(登録商標)FF7(Brueggemann Chemicals、Heilbronn、DE)として入手可能である。
エチレン性不飽和の、酸基を有するモノマーa)と共重合可能なエチレン性不飽和モノマーd)は、たとえばアクリルアミド、メタクリルアミド、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノプロピルアクリレート、ジエチルアミノプロピルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレートである。
水溶性ポリマーe)として、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、デンプン、デンプン誘導体、変性セルロース、たとえばメチルセルロースまたはヒドロキシエチルセルロース、ゼラチン、ポリグリコールまたはポリアクリル酸、有利にはデンプン、デンプン誘導体および変性セルロースを使用することができる。
通常はモノマー水溶液を使用する。モノマー溶液の含水率は有利には40〜70質量%、特に有利には45〜70質量%、とりわけ有利には50〜65質量%である。モノマーの懸濁液、つまり過剰のモノマーa)、たとえばアクリル酸ナトリウムを含有するモノマー溶液を使用することも可能である。含水率が高まるにつれて、その後の乾燥のエネルギーコストが高くなり、かつ含水率が低下すると重合熱の除去が不十分になる。
有利な重合防止剤は、最適な作用のためには溶解した酸素を必要とする。従ってモノマー溶液は重合の前に不活性化、つまり不活性ガス、有利には窒素または二酸化炭素を貫流させることにより溶解した酸素を除去することができる。有利にはモノマー溶液の酸素含有率は重合前には1質量ppm未満、特に有利には0.5質量ppm未満、とりわけ有利には0.1質量ppm未満に低減させる。
重合i)のために適切な反応器はたとえば混練型反応器またはベルト型反応器である。混練機中で、モノマー水溶液またはモノマー懸濁液の重合の際に生じるポリマーゲルを、たとえばWO2001/038402A1に記載されているような二重反転攪拌シャフトによって連続的に粉砕する。ベルト上での重合はたとえばDE3825366A1およびUS6,241,928に記載されている。ベルト型反応器中での重合の際にポリマーゲルが生じ、これはその後の方法工程で、たとえば押出機または混練機中で粉砕しなくてはならない。
得られたポリマーゲルの酸基は通常部分的に中和されている。中和は有利にはモノマーの段階で実施する。これは通常、中和剤を水溶液として、または有利には固体として混合することによって行われる。中和度は有利には25〜95モル%、特に有利には30〜80モル%、とりわけ有利には40〜75モル%であり、その際、慣用の中和剤、有利にはアルカリ金属水酸化物、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属炭酸塩またはアルカリ金属炭酸水素塩ならびにこれらの混合物を使用することができる。アルカリ金属塩の代わりにアンモニウム塩を使用することもできる。ナトリウムおよびカリウムはアルカリ金属として特に有利であるが、しかし水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムならびにこれらの混合物がとりわけ有利である。
あるいはまた、中和を重合の後に、重合の際に生じたポリマーゲルの段階で実施することも可能である。さらに、中和剤の一部をすでにモノマー溶液に添加することによって、重合の前に酸基の40モル%まで、有利には10〜30モル%、特に有利には15〜25モル%を中和し、かつ所望の最終中和度を重合の後に初めてポリマーゲルの段階で調整することも可能である。ポリマーゲルが少なくとも部分的に重合の後に中和される場合には、ポリマーゲルは有利には機械的に、たとえば押出機により粉砕され、その際、中和剤は噴霧、散布または流し込み、かつ次いで慎重に混合することができる。このために、得られたゲル材料をさらに複数回、均質化のために押し出すことができる。
次いでポリマーゲルの乾燥ii)を有利にはベルト型乾燥器により、有利には0.5〜15質量%、特に有利には1〜10質量%、とりわけ有利には2〜8質量%の残留湿分含有率になるまで行い、その際、残留湿分含有率はEDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP230.2−05「湿分含有率(Moisture Content)」により測定される。残留湿分が高すぎると、乾燥したポリマーゲルのガラス転移温度Tgは低くなりすぎ、その後の加工が困難になる。残留湿分が低すぎると乾燥したポリマーゲルは脆くなりすぎてその後の粉砕工程で、小さすぎる粒径を有するポリマー粒子(微粉)が大量に生じて望ましくない。ゲルの固体含有率は乾燥前には有利には25〜90質量%、特に有利には35〜70質量%、とりわけ有利には40〜60質量%である。あるいはまた選択的に、流動床乾燥器またはパドル型乾燥器も乾燥のために使用することができる。
乾燥したポリマーゲルはその後、粉砕および分級される。粉砕iii)のためには通常1段もしくは多段のロールミル、有利には2段もしくは3段のロールミル、ピンミル、ハンマーミルまたはスイングミルを使用することができる。分級iv)のためには通常、揺動型篩い分け装置が使用される。
生成物フラクションとして分離されるポリマー粒子の平均粒径は、有利には少なくとも200μm、特に有利には250〜600μm、とりわけ有利には300〜500μmである。生成物フラクションの平均粒径はEDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP220.2−05「粒径分布(Partikel Size Distributuion)」によって確認することができ、その際、篩いフラクションの質量割合は累積され、かつ平均粒径はグラフにより測定される。この場合、平均粒径はメッシュ幅の値であり、これは累積して50質量%である。
少なくとも150μmの粒径を有する粒子の割合は、有利には少なくとも90質量%、特に有利には少なくとも95質量%、とりわけ有利には少なくとも98質量%である。
ポリマー粒子の粒径が小さすぎると、透過性(SFC)が低下する。そのため、小さいポリマー粒子(微粉)の割合は低い方がよい。
従って小さすぎるポリマー粒子は通常は分離され、かつプロセスに返送される。これは有利には重合の前、重合の間、または重合の直後に、つまりポリマーゲルを乾燥させる前に行う。小さすぎるポリマー粒子は、返送の前または返送中に水および/または界面活性剤の水溶液で湿らせることができる。
小さすぎるポリマー粒子を後の方法工程で、たとえば表面後架橋の後で、または他の被覆工程の後で分離することも可能である。この場合、返送される小さすぎるポリマー粒子は、表面後架橋されるか、もしくは他の方法で、たとえば熱分解法シリカによって被覆されている。
小さすぎるポリマー粒子が極めて早期に、たとえばすでにモノマー溶液に添加される場合には、得られる吸水性ポリマー粒子の遠心分離保持容量(CRC)はこれにより低下する。しかしこれはたとえば架橋剤b)の使用量を調整することにより相殺することができる。
最大で850μmの粒径を有する粒子の割合は、有利には少なくとも90質量%、特に有利には少なくとも95質量%、とりわけ有利には少なくとも98質量%である。
粒径が大きすぎるポリマー粒子は、膨潤速度を低下させる。従って、大きすぎるポリマー粒子の割合は同様に低い方がよい。
従って大きすぎるポリマー粒子は通常、分離されて、乾燥させたポリマーゲルの粉砕iii)へ返送される。
ポリマー粒子はその特性をさらに改善するために、表面後架橋することができる。適切な表面後架橋剤は、ポリマー粒子の少なくとも2つのカルボキシレート基と共有結合を形成することができる基を有する化合物である。適切な化合物はたとえば多官能価のアミン、多官能価のアミドアミン、多官能価のエポキシド、たとえばEP0083022A2、EP0543303A1およびEP0937736A2に記載のもの、二官能価または多官能価のアルコール、たとえばDE3314019A1、DE3523617A1およびEP0450922A2に記載のもの、またはβ−ヒドロキシアルキルアミド、たとえばDE10204938A1およびUS6,239,230に記載のものである。
さらに、DE4020780C1には環式カーボネート、DE19807502A1には2−オキサゾリドンおよびその誘導体、たとえば2−ヒドロキシエチル−2−オキサゾリドン、DE19807992C1にはビス−2−オキサゾリジノンおよびポリ−2−オキサゾリジノン、DE19854573A1には、2−オキソテトラヒドロ−1,3−オキサジンおよびその誘導体、DE19854574A1にはN−アシル−2−オキサゾリドン、DE10204937A1には環式尿素、DE10334584A1には、二環式アミドアセタール、EP1199327A2にはオキセタンおよび環式尿素、およびWO2003/031482A1にはモルホリン−2,3−ジオンおよびその誘導体が適切な別の表面後架橋剤として記載されている。
有利な表面後架橋剤は、エチレンカーボネート、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリアミドとエピクロロヒドリンとの反応生成物およびプロピレングリコールと1,4−ブタンジオールとからなる混合物である。
特に有利な表面後架橋剤は2−ヒドロキシエチルオキサゾリジン−2−オン、オキサゾリジン−2−オンおよび1,3−プロパンジオールである。
さらに、付加的な重合性のエチレン性不飽和基を有する表面後架橋剤、たとえばDE3713601A1に記載のものも使用することができる。
表面後架橋剤の量は、そのつどポリマー粒子に対して、有利には0.001〜2質量%、特に有利には0.02〜1質量%、とりわけ有利には0.05〜0.2質量%である。
本発明の有利な実施態様では、表面後架橋の前、その間、またはその後に、表面後架橋剤に加えて、多価カチオンが粒子表面に施与される。
本発明による方法で使用することができる多価カチオンはたとえば二価のカチオン、たとえば亜鉛、マグネシウム、カルシウム、鉄およびストロンチウムのカチオン、三価のカチオン、たとえばアルミニウム、鉄、クロム、希土類およびマンガンのカチオン、四価のカチオン、たとえばチタンおよびジルコニウムのカチオンである。対イオンとして、塩素イオン、臭素イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、硝酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオンおよびカルボキシレート、たとえばアセテートおよびラクテートが可能である。硫酸アルミニウムおよび酪酸アルミニウムは有利である。金属塩以外に、ポリアミンもまた多価カチオンとして使用することができる。
多価カチオンの使用量は、そのつどポリマー粒子に対してたとえば0.001〜1.5質量%、有利には0.005〜1質量%、特に有利には0.02〜0.8質量%である。
表面後架橋は通常、表面後架橋剤の溶液を乾燥させたポリマー粒子上に噴霧して実施される。
噴霧に引き続き表面後架橋剤により被覆したポリマー粒子を熱により乾燥させ、その際、表面後架橋反応は、乾燥の前にも乾燥の間にも行うことができる。
表面後架橋剤の溶液の噴霧は有利には、可動の混合装置を有する混合機、たとえばスクリューミキサー、ディスク型ミキサーおよびパドル型ミキサーにより実施する。特に有利であるのは水平式ミキサー、たとえばパドル型ミキサーであり、とりわけ有利であるのは縦型ミキサーである。水平型ミキサーと縦型ミキサーとの区別は、混合軸の位置であり、つまり水平型ミキサーは、水平な混合軸を有しており、かつ縦型ミキサーは垂直な混合軸を有している。適切な混合機はたとえば水平型のPflugschar(登録商標)ミキサー(Loedige Maschinenbau GmbH;Paderborn;DE)、Vrieco−Nauta 連続式ミキサー(Hosokawa Micron BV;Doetinchem;NL)、Processall Mixmillミキサー(Processall Incorporated;Cincinnati;US)およびSchugi Flexomix(登録商標)(Hosokawa Micron BV;Doetinchem;NL)である。あるいはまた、表面後架橋剤溶液を流動床中で噴霧することも可能である。
表面後架橋剤は一般に水溶液として使用される。非水性溶剤の含有率もしくは全溶剤量によって、ポリマー粒子中への表面後架橋竿の浸透深さを調整することができる。
溶剤として水のみを使用する場合には、有利には界面活性剤が添加される。これにより湿潤特性が改善され、凝集傾向が低減される。しかし有利には溶剤混合物、たとえばイソプロパノール/水、1,3−プロパンジオール/水およびプロピレングリコール/水を使用し、その際、混合比は有利には20:80〜40:60である。
熱による乾燥は有利には接触型乾燥機、特に有利にはパドル型乾燥機、とりわけ有利にはディスク型乾燥機中で実施する。適切な乾燥機はたとえばHosokawa Bepex(登録商標)Horizontal Paddle Dryer(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten、DE)、Hosokawa Bepex(登録商標)Disc Dryer(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten、DE)およびNara Paddle Dryer(NARA Machinery Europe、Frechen、DE)である。さらに、流動層乾燥機を使用することもできる。
乾燥は混合機自体の中で、ジャケットの加熱または温風の吹き込みにより行うこともできる。同様に後方接続された乾燥機、たとえば縦型乾燥機、回転管式乾燥機または加熱スクリューも適切である。特に有利には流動層乾燥機中で混合し、かつ乾燥させる。
有利な乾燥温度は、100〜250℃、有利には120〜220℃、特に有利には130〜210℃、とりわけ有利には150〜200℃の範囲である。反応ミキサーまたは乾燥機中、この温度での有利な滞留時間は、有利には少なくとも10分、特に有利には少なくとも20分、とりわけ有利には少なくとも30分、および通常は最大で60分である。
引き続き表面後架橋したポリマー粒子を改めて分級することができ、その際、小さすぎるか、および/または大きすぎるポリマー粒子を分離し、かつ方法に返送することができる。
表面後架橋したポリマー粒子は、その特性をさらに改善するために、被覆するか、後湿潤することができる。膨潤速度ならびに透過性(SFC)を改善するために適切な被覆は、たとえば無機の不活性物質、たとえば水不溶性の金属塩、有機ポリマー、カチオン性ポリマー、ならびに二価もしくは多価の金属カチオンである。ダストを結合するために適切な被覆は、たとえばポリオールである。ポリマー粒子の不所望なベーキング傾向に対する適切な被覆は、たとえば熱分解法シリカ、たとえばAerosil(登録商標)200および界面活性剤、たとえばSpan(登録商標)20である。
このような被覆または後湿潤を行う場合には、表面後架橋したポリマー粒子を有利には被覆もしくは後湿潤した後に初めて、改めて分級する。
本発明による方法により製造された、吸水性ポリマー粒子は、有利に0〜15質量%、特に有利には0.2〜10質量%、とりわけ有利には0.5〜8質量%の湿分含有率を有しており、その際、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP230.2−05「湿分含有率」により測定される。
本発明による方法により製造された吸水性ポリマー粒子は、一般に少なくとも15g/g、有利には少なくとも20g/g、好ましくは少なくとも22g/g、特に有利には少なくとも24g/g、とりわけ有利には少なくとも26g/gの遠心分離保持容量(CRC)を有している。吸水性ポリマー粒子の遠心分離保持容量(CRC)は通常60g/g未満である。遠心分離保持容量(CRC)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP241.2−05「遠心分離保持容量」により測定される。
本発明による方法により製造された吸水性ポリマー粒子は、49.2g/cm2の加圧下(AUL0.7psi)で、一般に少なくとも15g/g、有利には少なくとも20g/g、好ましくは少なくとも22g/g、特に有利には少なくとも24g/g、とりわけ有利には少なくとも26g/gの吸収量を有する。吸水性ポリマー粒子の49.2g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.7psi)は通常35g/g未満である。49.2g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.7psi)は同様にEDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP242.2−05「加圧下での吸収(Absorption Under Pressure)」により測定されるが、その際、圧力は21.0g/cm2(AUL0.3psi)ではなく、49.2g/cm2(AUL0.7psi)に調整される。
方法:
測定は、その他の記載がない限り、23±2℃の周囲温度および50±10%の相対空気湿度で実施すべきものである。吸水性ポリマー粒子は、測定前に十分に混合される。
残留モノマー(Residual Monomers)
残留モノマー(Remos)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP210.2−05「残留モノマー」により測定される。
粒径分布(Particle Size Distribution)
粒径分布(PSD)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP220.2−05「粒径分布」により測定される。
遠心分離保持容量(Centrifuge Retention Capacity)
遠心分離保持容量(CRC)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP241.2−05「遠心分離保持容量」により測定される。
21.0g/cm2の加圧下での吸収(Absorption under Pressuer)
21.0g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.3psi)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP242.2−05「加圧下での吸収(Absorption Under Pressure)」により測定される。
49.2g/cm2の加圧下での吸収(Absorption under Pressuer)
49.2g/cm2の加圧下での吸収(AUL0.7psi)は、EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)により推奨される試験法No.WSP242.2−05「加圧下での吸収(Absorption Under Pressure)」により測定されるが、この場合、21.0g/cm2の圧力(AUL0.3psi)に代えて、49.2g/cm2の圧力(AUL0.7psi)に調整される。
膨潤速度(Free Swell Rate)
膨潤速度(FSR)を測定するために、乾燥した吸水性ポリマー粒子1.00g(=W)を25mlのガラスビーカー中に秤量し、かつその底に均一に分散させる。次いで、0.9質量%の食塩溶液20mlを第二のガラスビーカー中に供給する。このビーカーの内容物を第一のビーカーに素早く添加し、ストップウォッチを開始する。塩溶液の最後の1滴が吸収されたらストップウォッチを止めるが、これは液体表面上の反射の消失によって認識可能である。第二のガラスビーカーから注いだ液体および第一のガラスビーカー中のポリマーにより吸収された液体の正確な量を、第二のガラスビーカーの秤量により正確に測定する(=W)。ストップウォッチで測定した、吸収のために必要とされた時間を、tとする。
ここから、膨潤速度(FSR)を以下のとおりに算出する:
FSR[g/gs]=W/(W×t)
CIE色数(L
色の測定はCIELAB法(Hunterlab、第8巻、1996年、第7号、第1〜4頁)に相応して実施した。この場合、色は三次元系の座標L、aおよびbにより記載される。その際、Lは明度を表し、L=0は黒色を、およびL=100は白色を意味する。aおよびbの値は、色軸の赤色/緑色もしくは黄色/青色上の色の位置を示し、+aは赤色を、−aは緑色を、+bは黄色を、および−bは青色を表す。色測定装置はModell LabScan XE S/N LX17309(Hunterlab、Reston、US)を使用した。
次の装置設定を使用した:光源C、観察者2゜、ジオメトリー45/0。
色の測定は、DIN5033−6による3領域法に相応する。
Hunter60値(H60)は、表面の白色度の尺度であり、L−3bとして定義される。つまりこの値が低いほど、その色は暗く、かつ黄色寄りである。
EDANA試験法は、たとえばEuropean Disposables and Nonwoven Association、Avenue Eugene Plasky 157、B−1030、Bruessel、ベルギーにおいて入手可能である。
実施例
例1(ベースポリマーの製造)
37.3質量%のアクリル酸ナトリウム水溶液1028g、アクリル酸98g、水254gおよびエトキシ単位を3つ有するグリセリントリアクリレート0.59gを、2000mlの金属製ビーカー中に秤量した。中和度は75モル%であった。金属製ビーカーをParafilm(登録商標)でふさぎ、150l/hの窒素で不活性化した。不活性化の間、モノマー溶液を−0.5℃に冷却した。引き続き10質量%の過硫酸ナトリウムの10質量%水溶液6.47gおよび過酸化水素の1質量%水溶液5.88gを順次添加した。
モノマー溶液を漏斗で、直径190mmを有するガラスシャーレに移した。ガラスシャーレをプラスチックフィルムでカバーし、同様に150l/hの窒素で不活性化した。さらに、ガラスシャーレ中のモノマー溶液を電磁撹拌棒で撹拌した。引き続き使い捨て注射器で、Brueggolite(登録商標)FF6(2−ヒドロキシ−2−スルフィナト酢酸の二ナトリウム塩)の1質量%水溶液5.88gをモノマー溶液に供給した。反応開始後に電磁攪拌機を停止した。
30分の反応時間の後で、ポリマーゲルを取り出し、穿孔板(穿孔の直径6mm)を有する押出機で粉砕し、亜硫酸水素ナトリウムの1質量%水溶液17.6gを噴霧し、かつ2回押し出した。
該ゲルを160℃で1時間、循環空気式乾燥棚で乾燥させた。棚板にのせたポリマーゲルの量は、0.59g/cm2であった。引き続き、スリット幅5mm、1.000μm、600μmおよび400μmの4段階ロールミルを用いて粉砕し、150〜850μmに篩分けした(ベースポリマー)。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第1表にまとめられている。
ベースポリマーの部分量をローターミル(Retsch(登録商標)ZM200)で150μm未満の粒径に粉砕した(篩下粒子)。
例2(比較例)
37.3質量%のアクリル酸ナトリウム水溶液1028g、アクリル酸98g、水254gおよびエトキシ単位を3つ有するグリセリントリアクリレート0.59gを、2000mlの金属製ビーカー中に秤量した。中和度は75モル%であった。金属製ビーカーをParafilm(登録商標)でふさぎ、150l/hの窒素で不活性化した。不活性化の間、モノマー溶液を−0.5℃に冷却した。引き続き過硫酸ナトリウムの10質量%水溶液6.47gおよび過酸化水素の1質量%水溶液5.88gを順次添加した。
モノマー溶液を漏斗で、直径190mmを有するガラスシャーレに移した。ガラスシャーレをプラスチックフィルムでカバーし、同様に150l/hの窒素で不活性化した。さらに、ガラスシャーレ中のモノマー溶液を電磁撹拌棒で撹拌した。引き続き使い捨て注射器で、Brueggolite(登録商標)FF6(2−ヒドロキシ−2−スルフィナト酢酸の二ナトリウム塩)の1質量%水溶液5.88gをモノマー溶液に供給した。反応開始後に電磁攪拌機を停止した。
30分の反応時間の後で、ポリマーゲルを取り出し、穿孔板(穿孔の直径6mm)を有する押出機で粉砕し、亜硫酸水素ナトリウムの1質量%水溶液17.6gを噴霧し、かつ改めて押し出した。引き続き例1からの篩下粒子を合計で84g、2回に分けて180μmの篩およびスプーンを用いて振りかけ、かつ3回押し出した。
該ゲルを160℃で1時間、循環空気式乾燥棚で乾燥させた。棚板にのせたポリマーゲルの量は、0.59g/cm2であった。引き続き、スリット幅5mm、1.000μm、600μmおよび400μmの4段階ロールミルを用いて粉砕し、150〜850μmに篩分けした(ベースポリマー)。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。結果は第1表にまとめられている。
例3
例2に記載のとおりに行った。重合後に得られたポリマーゲルに混入した篩下粒子を、返送前に次亜リン酸ナトリウムで被覆した。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第1表にまとめられている。
次亜リン酸ナトリウムで被覆された篩下粒子の製造:
このために、例1からの篩下粒子84gを、キッチン用装置に充填し、撹拌した。撹拌される篩下粒子に、2流体ノズルで次亜リン酸ナトリウムの3質量%水溶液16.8gを噴霧し、かつ5分間、後攪拌した。被覆した篩下粒子を、4つのペトリ皿(直径13.5cm、高さ2.5cm)に分散させ、かつ150℃で30分間、循環空気式乾燥棚で乾燥させた。引き続き、コーヒーミルで脱凝集させ、かつ150μmに篩分した。
例4
例2に記載のとおりに行った。重合後に得られたポリマーゲルに混入した篩下粒子を、返送前にBrueggolite(登録商標)FF7(Brueggemann Chemicals、Heilbronn、ドイツ)で被覆した。Brueggolite(登録商標)FF7は、2−ヒドロキシ−2−スルフィナト酢酸の二ナトリウム塩、2−ヒドロキシ−2−スルホナト酢酸の二ナトリウム塩および二亜硫酸ナトリウムからなる混合物である。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。結果は第1表にまとめられている。
Brueggolite(登録商標)FF7により被覆された篩下粒子の製造:
このために、例1からの篩下粒子84gを、キッチン用装置に充填し、撹拌した。撹拌された篩下粒子に、2流体ノズルでBrueggolite(登録商標)FF7の1質量%水溶液8.4gを噴霧し、かつ5分間、後攪拌した。被覆した篩下粒子を、4つのペトリ皿(直径13.5cm、高さ2.5cm)に分散させ、かつ150℃で30分間、循環空気式乾燥棚で乾燥させた。引き続き、コーヒーミルで脱凝集させ、かつ150μmに篩分した。
例5
例2に記載のとおりに行った。重合後に得られたポリマーゲルに混入した篩下粒子を、返送前にSipernat(登録商標)D17(Evonik Industries AG、Essen、ドイツ)で被覆した。Sipernat(登録商標)D17は、熱分解法シリカである。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第1表にまとめられている。
Sipernat(登録商標)D17で被覆された篩下の製造:
このために、篩下粒子84gおよびSipernat(登録商標)D17 0.25gを、250mlのガラス瓶に充填し、回転式ミキサーで30分間均質化した。
例6
例2に記載のとおりに行った。重合後に得られたポリマーゲルに混入した篩下粒子を、返送前にリン酸三カルシウムC13−09(Chemische Fabrik Budenheim KG、Budenheim、ドイツ)で被覆した。
得られた吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第1表にまとめられている。
リン酸三カルシウムC13−09で被覆された篩下粒子の製造:
このために、篩下粒子84gおよびリン酸三カルシウムC13−09 0.42gを、250mlのガラス瓶に充填し、回転式ミキサーで30分間均質化した。
Figure 0005290413
例7(表面後架橋)
例1で製造したベースポリマーを表面後架橋した。
このために、ベースポリマー100gをキッチン用装置に充填し、撹拌した。この撹拌されるベースポリマーに、1分以内で2流体ノズルを用いて、水溶液(2−ヒドロキシエチル−2−オキサゾリジノン0.15g、イソプロパノール0.9gおよび水2.1g)3.15gを噴霧し、かつ5分間、後攪拌した。被覆したベースポリマーを2つのペトリ皿(直径20cm、高さ2.5cm)に均一に分散させ、170℃で60分間、循環空気式乾燥棚で表面後架橋させた。
熱による表面後架橋の後で、メッシュ幅850μmを有する篩により粗粒を分離し、この粗粒の量を測定し、廃棄した。こうして得られた、850μm以下の粒径を有する表面後架橋吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第2表にまとめられている。
例8(比較例)
例7と同様に行った。例2で製造したベースポリマーを使用した。
得られた表面後架橋吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第2表にまとめられている。
例9〜12
例7と同様に行った。例3〜6で製造したベースポリマーを使用した。
得られた表面後架橋吸水性ポリマー粒子を分析した。その結果は第2表にまとめられている。
Figure 0005290413
これらの結果は、本発明による方法により製造した表面後架橋ポリマー粒子が、より高い膨潤速度、より低い残留モノマー、より少ない凝集体(>850μmの粒子)および低い黄色度(H60)でより白色度の高い色を有していることを証明している。

Claims (11)

  1. a)少なくとも1のエチレン性不飽和の、酸基を有するモノマー、
    b)少なくとも1の架橋剤、
    c)少なくとも1の開始剤、
    d)場合により1もしくは複数の、a)に記載したモノマーと共重合可能なエチレン性不飽和モノマー、および
    e)場合により1もしくは複数の水溶性ポリマー
    を含有するモノマー溶液またはモノマー懸濁液の重合により、吸水性ポリマー粒子を製造する方法であって、以下の工程:
    i)モノマー溶液またはモノマー懸濁液を重合してポリマーゲルを得る工程、
    ii)ポリマーゲルを乾燥させる工程、
    iii)乾燥させたポリマーゲルを粉砕する工程、および
    iv)分級し、その際、篩下粒子を分離する工程
    を有し、この場合、分離した篩下粒子は、少なくとも部分的に工程ii)の前に返送される吸水性ポリマー粒子の製造方法において、吸水性ポリマー粒子を工程iv)の前に、表面後架橋させ、返送される篩下粒子の少なくとも一部の量が、少なくとも1の還元剤により、または還元剤および無機粒子により被覆されており、還元剤が、次亜リン酸の塩またはスルフィン酸の塩であることを特徴とする、吸水性ポリマー粒子の製造方法。
  2. 工程iii)の後かつ表面後架橋の前に、さらに分級し、篩下粒子を分離することを特徴とする、請求項記載の方法。
  3. 表面後架橋の前に分離した篩下粒子を、工程iv)で分離した篩下粒子と一緒に返送することを特徴とする、請求項記載の方法。
  4. 還元剤により、または還元剤および無機粒子により被覆されている、返送される篩下粒子のうち、モノマー溶液またはモノマー懸濁液の固体含有率に対して、1〜20質量%の量を、工程iv)の前に被覆することを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  5. 還元剤により、または還元剤および無機粒子により被覆されている、返送される篩下粒子のうち、モノマー溶液またはモノマー懸濁液の固体含有率に対して、1〜20質量%の量を、表面後架橋の後に被覆することを特徴とする、請求項からまでのいずれか1項記載の方法。
  6. 分離した篩下粒子を工程i)の後に返送することを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  7. 還元剤により被覆される篩下粒子が、篩下粒子に対して0.01〜5質量%の還元剤により被覆されていることを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  8. 無機粒子により被覆される篩下粒子が、篩下粒子に対して0.05〜2質量%の無機粒子により被覆されていることを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  9. 無機粒子が、熱分解法ケイ酸であるか、または燐酸の水不溶性の塩であることを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  10. モノマーa)が、部分的に中和されたアクリル酸であることを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  11. 吸水性ポリマー粒子が、少なくとも15g/gの遠心分離保持容量を有することを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
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