JP5558824B2 - 吸水性樹脂の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、吸水性樹脂の製造方法およびそれにより得られる吸水性樹脂に関する。さらに詳しくは、紙おむつ、失禁パッド、生理用ナプキン等の衛生材料に好適に使用しうる吸水性樹脂の製造方法、およびそれにより得られる吸水性樹脂に関する。
従来から、吸水性樹脂は、紙おむつ、生理用ナプキン等の衛生材料や、ケーブル用止水材等の工業材料に幅広く用いられている。吸水性樹脂としては、例えば、澱粉−アクリロニトリルグラフト共重合体の加水分解物、澱粉−アクリル酸グラフト重合体の中和物、酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体のケン化物、ポリアクリル酸部分中和物等が知られている。
この内、衛生材料に使用される吸水性樹脂には、保水能(吸収容量)、荷重下での吸水能、吸水速度、粒子径分布等の諸性能に優れることが求められている。これまでにも、前記諸性能の中で、特に保水能と荷重下での吸水能を改良するため、吸水性樹脂の表面近傍の架橋密度を高める方法(後架橋方法)が提案されている。
また、紙おむつ、生理用ナプキン等に用いられる吸水性樹脂は、前記諸性能のほかに、水可溶分が少なく、安全性に優れることも必要である。例えば、水可溶分が多い場合、液体吸収後に水可溶分が溶出し、ぬめりのある粘性液体が肌に付着することにより、かぶれを生じる可能性がある。
このような要求に対し、安全性に配慮しつつ前記諸性能(特に保水能と荷重下での吸水能)を改良する方法として、例えば、オキセタン化合物および水溶性添加剤を混合する方法(特許文献1,2参照)、ケタール化合物、アセタール化合物を混合して熱処理する方法(特許文献3参照)、特定のオキサゾリン化合物を混合、処理する方法(特許文献4参照)等により、吸水性樹脂の表面近傍の架橋密度を高める方法が提案されている。しかしながらこれらの技術によっても、前記諸性能は、いまだ十分に満足できるものではない。また、これらの文献に開示されている架橋剤は、架橋反応の際に高温を必要とするという問題もある。
このため、低い反応温度で反応可能な架橋剤を用い、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、かつ、水可溶分が少ない等の安全性にも配慮した吸水性樹脂の開発が望まれている。
特開2002−194239号公報 特開2003−313446号公報 特開平08−027278号公報 特開2000−197818号公報
本発明の目的は、低い反応温度で反応可能な架橋剤を用い、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、水可溶分が少ない等の安全性にも配慮した、衛生材料に好適に使用しうる吸水性樹脂の製造方法、およびそれにより得られる吸水性樹脂を提供することにある。
本発明者らは、吸水性樹脂前駆体の表面近傍の架橋密度を高めるに際し、特定の架橋剤を用いることで、低い反応温度で、吸水性樹脂前駆体の表面近傍を高い架橋密度で、かつ均一に架橋することにより、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、水可溶分が少ない等の安全性にも配慮した、衛生材料に好適に使用しうる吸水性樹脂が得られる事を見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、水溶性エチレン性不飽和単量体を重合して得られる吸水性樹脂前駆体に、下記一般式(1):
Figure 0005558824
(式中、Rは炭素数1〜6のアルキル基を示し、Rは炭素数1〜6のアルカンジイル基を示し、Xはカルボニル基、ホスホリル基およびスルホニル基からなる群から選ばれた少なくとも1種の基を含む原子団を示す。)で表されるオキセタン化合物を添加、加熱して後架橋反応させることを特徴とする吸水性樹脂の製造方法、および該製造方法により得られる吸水性樹脂に関する。
本発明によれば、特定の架橋剤を用いることで、低い反応温度で、吸水性樹脂前駆体の表面近傍を高い架橋密度で、かつ均一に架橋することにより、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、水可溶分が少ない等の安全性にも配慮した、衛生材料に好適に使用しうる吸水性樹脂を得ることができる。
荷重下での吸水能を測定するための装置の概略構成を示す模式図である。
符号の説明
X 測定装置
1 ビュレット部
10 ビュレット
11 空気導入管
12 コック
13 コック
14 ゴム栓
2 導管
3 測定台
4 測定部
40 円筒
41 ナイロンメッシュ
42 重り
5 吸水性樹脂
本発明において、吸水性樹脂前駆体を得るための水溶性エチレン性不飽和単量体の重合方法としては特に限定されず、代表的な重合方法である水溶液重合法、逆相懸濁重合法等が挙げられる。
本明細書においては、実施形態の一例として、逆相懸濁重合法についてより詳しく説明する。前記方法においては、例えば、界面活性剤および/または高分子系分散剤を含む石油系炭化水素溶媒中、水溶性エチレン性不飽和単量体を、必要により架橋剤や連鎖移動剤等を添加し、ラジカル重合開始剤を用いて、油中水系で逆相懸濁重合を行う。なお、前記逆相懸濁重合方法においては、逆相懸濁重合によって得られた吸水性樹脂前駆体に、水溶性エチレン性不飽和単量体をさらに添加し、2段以上の多段で重合を行うことで、吸水性樹脂前駆体を得ることもできる。
水溶性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、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸およびそのアルカリ金属塩;(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、N−メチロール(メタ)アクリルアミド等のノニオン性不飽和単量体;ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のアミノ基含有不飽和単量体およびその四級化物等が挙げられる。これらは、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。なお、本明細書において、「(メタ)アクリ」とは、アクリおよびメタクリを意味する。
前記水溶性エチレン性不飽和単量体のうち、工業的に入手が容易である観点から、(メタ)アクリル酸およびそのアルカリ金属塩、(メタ)アクリルアミド、ならびにN,N−ジメチル(メタ)アクリルアミドが好ましく用いられる。さらに、得られる吸水性樹脂の吸水性能が高いという観点から、(メタ)アクリル酸およびそのアルカリ金属塩がより好ましい。
水溶性エチレン性不飽和単量体は、通常、水溶液で用いることができる。水溶性エチレン性不飽和単量体の水溶液における水溶性エチレン性不飽和単量体の濃度は、15質量%〜飽和濃度であることが好ましい。
水溶性エチレン性不飽和単量体の水溶液は、用いられる水溶性エチレン性不飽和単量体が酸基を含む場合、その酸基をアルカリ金属を含むアルカリ性中和剤によって中和してもよい。前記アルカリ性中和剤による中和度は、得られる吸水性樹脂の浸透圧を高くし、余剰のアルカリ性中和剤の存在により安全性等に問題が生じないようにする観点から、中和前の水溶性エチレン性不飽和単量体の酸基の10〜100モル%であることが好ましい。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム等が挙げられる。これらの中では、ナトリウムおよびカリウムが好ましく、ナトリウムがより好ましい。
ラジカル重合開始剤としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩;メチルエチルケトンパーオキシド、メチルイソブチルケトンパーオキシド、ジ−tert−ブチルパーオキシド、tert−ブチルクミルパーオキシド、tert−ブチルパーオキシアセテート、tert−ブチルパーオキシイソブチレート、tert−ブチルパーオキシピバレート、過酸化水素等の過酸化物;2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)2塩酸塩、2,2’−アゾビス〔2−(N−フェニルアミジノ)プロパン〕2塩酸塩、2,2’−アゾビス〔2−(N−アリルアミジノ)プロパン〕2塩酸塩、2,2’−アゾビス{2−〔1−(2−ヒドロキシエチル)−2−イミダゾリン−2−イル〕プロパン}2塩酸塩、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−〔1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル〕プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス〔2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)−プロピオンアミド〕、および4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)等のアゾ化合物等が挙げられる。これらラジカル重合開始剤は、単独で用いても、2種以上を併用しても良い。これらの中では、工業的に入手が容易で、保存安定性が良好であることから、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウムおよび2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)2塩酸塩が好ましい。
ラジカル重合開始剤の各段階の反応における使用量は、重合反応の時間を短縮し、急激な重合反応を防ぐ観点から、通常、水溶性エチレン性不飽和単量体の各段階での使用量に対して0.005〜1モル%が好ましい。
なお、前記ラジカル重合開始剤は、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸第一鉄、およびL−アスコルビン酸等の還元剤を併用して、レドックス重合開始剤として用いることができる。
石油系炭化水素系溶媒としては、例えば、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、リグロイン等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂環族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等が挙げられる。これらの中では、工業的に入手が容易で、品質が安定し、かつ安価である観点から、n−ヘキサン、n−ヘプタンおよびシクロヘキサンが好ましい。これら石油系炭化水素溶媒は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
石油系炭化水素系溶媒の量は、重合熱を除去し、重合温度を制御しやすくする観点から、通常、各段階の反応における水溶性エチレン性不飽和単量体の使用量100質量部に対して、50〜600質量部が好ましく、80〜550質量部がより好ましい。
界面活性剤としては、例えば、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、ソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンヒマシ油、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油、アルキルアリルホルムアルデヒド縮合ポリオキシエチレンエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックコポリマー、ポリオキシエチレンポリオキシプロピルアルキルエーテル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルエーテルのリン酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテルのリン酸エステル等が挙げられる。これらの中では、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステルおよびショ糖脂肪酸エステルが好ましい。これらの界面活性剤は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
高分子系分散剤としては、例えば、無水マレイン酸変性ポリエチレン、無水マレイン酸変性ポリプロピレン、無水マレイン酸変性エチレン・プロピレン共重合体、無水マレイン酸変性EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン・ターポリマー)、無水マレイン酸変性ポリブタジエン、エチレン・無水マレイン酸共重合体、エチレン・プロピレン・無水マレイン酸共重合体、ブタジエン・無水マレイン酸共重合体、酸化型ポリエチレン、エチレン・アクリル酸共重合体、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース等が挙げられる。これらの中では、単量体水溶液の分散安定性の面から、無水マレイン酸変性ポリエチレン、無水マレイン酸変性ポリプロピレン、無水マレイン酸変性エチレン・プロピレン共重合体、酸化型ポリエチレン、およびエチレン・アクリル酸共重合体が好ましい。これら高分子系分散剤は、単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
界面活性剤および/または高分子系分散剤の各使用量は、石油系炭化水素溶媒中における、単量体水溶液の分散状態を良好に保ち、かつ使用量に見合う分散効果を得るため、各段階の反応における水溶性エチレン性不飽和単量体水溶液総量100質量部に対してそれぞれ0.1〜5質量部が好ましく、0.2〜3質量部がより好ましい。
本発明においては、水溶性エチレン性不飽和単量体に、重合性不飽和基を複数有する化合物等を内部架橋剤として添加し、重合反応を行うこともできる。このような内部架橋剤としては、例えば(ポリ)エチレングリコール〔「(ポリ)」とは「ポリ」の接頭語がある場合とない場合を意味する。即ち、「(ポリ)」とはポリマー化合物およびモノマー化合物を意味する。以下同じ〕、(ポリ)プロピレングリコール、1,4ブタンジオール、トリメチロールプロパン、ポリオキシエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、(ポリ)グリセリン等のジオール、トリオール等のポリオール類と(メタ)アクリル酸、マレイン酸、フマル酸等の不飽和酸とを反応させて得られる不飽和(ポリ)エステル類;N,N’−メチレンビスアクリルアミド等のビスアクリルアミド類;ポリエポキシドと(メタ)アクリル酸とを反応させて得られるジまたはトリ(メタ)アクリル酸エステル類;トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等のポリイソシアネートと(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチルとを反応させて得られるジ(メタ)アクリル酸カルバミルエステル類;アリル化澱粉、アリル化セルロース、ジアリルフタレート、N,N’,N”−トリアリルイソシアヌレート、ジビニルベンゼン等が挙げられる。
また、他の内部架橋剤としては、カルボキシル基と反応可能な反応性基を有する化合物を用いる事ができる。カルボキシル基と反応可能な反応性基を有する化合物としては、例えば、ヒドロキシメチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート類;N−ヒドロキシメチル(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシエチル(メタ)アクリルアミド等のN−ヒドロキシアルキル(メタ)アクリルアミド類等が挙げられる。
これら内部架橋剤は、2種以上を併用してもよい。
内部架橋剤の使用量は、得られる吸水性樹脂が適度に架橋されていることにより、吸水性樹脂の水溶性が抑制され、十分な吸水性を示すようにする観点から、各段階の反応に使用する水溶性エチレン性不飽和単量体の使用量に対して、1モル%以下とすることが好ましく、0.5モル%以下とすることがより好ましい。
また、吸水性樹脂の吸水性能を制御するために、連鎖移動剤を添加してもよい。このような連鎖移動剤としては、次亜リン酸塩類、亜リン酸類、チオール類、第2級アルコール類、アミン類等を例示することができる。
重合反応の際の反応温度は、使用するラジカル重合開始剤によって異なるが、重合を迅速に進行させ、重合時間を短くすることにより、生産性を高めるとともに、容易に重合熱を除去して円滑に反応を行う観点から、20〜110℃が好ましく、40〜90℃がより好ましい。反応時間は、通常、0.1〜4時間である。
重合反応後の混合物は、例えば、80〜200℃で加熱することによって水分や石油系炭化水素溶媒を除去してもよい。
以上のようにして、逆相懸濁重合が行われ、吸水性樹脂前駆体が得られる。
本発明においては、前記吸水性樹脂前駆体に、後架橋剤として下記一般式(1):
Figure 0005558824
で表されるオキセタン化合物を添加、加熱して後架橋反応させることを特徴とする。
式(1)中、Rは炭素数1〜6のアルキル基を示す。炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基およびn−ヘキシル基等が挙げられる。
式(1)中、Rは炭素数1〜6のアルカンジイル基を示し、例えば、メチレン基、エチレン基、n−プロピレン基、イソプロピレン基、n−ブチレン基、n−イソブチレン基、n−ペンチレン基およびn−ヘキシレン基等が挙げられる。
式(1)中、Xはカルボニル基、ホスホリル基およびスルホニル基からなる群から選ばれた少なくとも1種の基を含む原子団を示す。カルボニル基を含む原子団の具体例としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基等が挙げられる。ホスホリル基を含む原子団の具体例としては、例えば、ジメチルホスホノ基、ジエチルホスホノ基等が挙げられる。スルホニル基を含む原子団の具体例としては、例えば、メタンスルホニル基、エタンスルホニル基、1−プロパンスルホニル基、クロロメタンスルホニル基等が挙げられる。これらの中でも、反応性の観点から、ホスホリル基、スルホニル基を含む原子団が好ましく、スルホニル基を含む原子団がより好ましい。
式(1)で表されるオキセタン化合物の具体例としては、例えば、酢酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、酢酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、酢酸((3−n−プロピルオキセタン−3−イル)メチル)、酢酸((3−n−ヘキシルオキセタン−3−イル)メチル)、プロピオン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、プロピオン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、酢酸(2−(3−メチルオキセタン−3−イル)エチル)、酢酸(2−(3−エチルオキセタン−3−イル)エチル)等のカルボニル基を含むオキセタン化合物;ジメチルリン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、ジエチルリン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、ジメチルリン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、ジエチルリン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、ジメチルリン酸(2−(3−メチルオキセタン−3−イル)エチル)、ジエチルリン酸(2−(3−エチルオキセタン−3−イル)エチル)等のホスホリル基を含むオキセタン化合物;メタンスルホン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、メタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、メタンスルホン酸((3−n−プロピルオキセタン−3−イル)メチル)、メタンスルホン酸((3−n−ヘキシルオキセタン−3−イル)メチル)、エタンスルホン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、エタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、メタンスルホン酸(2−(3−メチルオキセタン−3−イル)エチル)、メタンスルホン酸(2−(3−エチルオキセタン−3−イル)エチル)、クロロメタンスルホン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、クロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)等のスルホニル基を含むオキセタン化合物等が挙げられる。これらの中でも、ホスホリル基、スルホニル基を含むオキセタン化合物が好ましく、スルホニル基を含むオキセタン化合物がより好ましく用いられる。スルホニル基を含むオキセタン化合物の中では、特に、メタンスルホン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、メタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)、クロロメタンスルホン酸((3−メチルオキセタン−3−イル)メチル)、およびクロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)が好適に用いられる。これらは、単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても良い。
式(1)で表されるオキセタン化合物は、例えば、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタンとメタンスルホニルクロライドとを塩基の存在下で反応させる方法(特開2000−319577号公報)等により製造することができる。
オキセタン化合物の使用量は、使用する化合物の種類により異なるので一概には決定することができないが、吸水性樹脂の表面近傍の架橋密度を十分に高めることで荷重下での吸水能等の諸性能を高め、かつ過剰な架橋反応を防止して保水能を高めるという観点から、通常、吸水性樹脂前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の総量に対して、0.001〜5モル%が好ましく、0.01〜3モル%であることがより好ましく、0.1〜2モル%であることがさらに好ましい。
本発明においては、前記オキセタン化合物の他に、公知の架橋剤を後架橋反応時に配合することも可能である。オキセタン化合物を含む後架橋剤は、溶媒に溶解して使用することが好ましい。溶媒の種類としては、水;メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらのなかでも、水およびアルコール類が好適に用いられる。
前記溶媒の使用量は、吸水性樹脂前駆体100質量部に対して1〜50質量部が好ましく、1〜40質量部がより好ましく、5〜40質量部がさらに好ましい。
オキセタン化合物を含む後架橋剤の添加時期は、特に限定されず、水溶性エチレン性不飽和単量体を重合して吸水性樹脂前駆体を得た後であればよい。例えば、重合後の吸水性樹脂前駆体の含水ゲルに添加する方法、重合後の吸水性樹脂前駆体の含水ゲルを脱水、乾燥して水分を調整した後に添加する方法、重合後の含水ゲルを脱水、乾燥して得られた吸水性樹脂前駆体に、適量の水分とともに添加する方法(このとき、必要により吸水性樹脂前駆体は石油系炭化水素溶媒中に分散させた状態で使用してもよい)等が挙げられる。後架橋剤を吸水性樹脂前駆体に添加した後、加熱により水および/または石油系炭化水素溶媒を留去しながら後架橋反応を行うことにより、本発明の吸水性樹脂が得られる。
後架橋剤を添加する直前の吸水性樹脂前駆体の水分率としては、65質量%以下であることが好ましく、1〜50質量%であることがより好ましく、5〜50質量%がさらに好ましく、5〜33質量%がよりさらに好ましい。なお、水分率は、後述する測定方法によって測定したときの値である。
吸水性樹脂前駆体にオキセタン化合物を含む後架橋剤を添加、混合した後、加熱することで、吸水性樹脂前駆体の表面近傍を架橋することができる。前記加熱温度は、吸水性樹脂の表面近傍をすみやかに均一に架橋することで、保水能と荷重下での吸水能の諸性能を高め、かつ吸水性樹脂の分解や劣化を防止するという観点から、50〜170℃が好ましく、80〜160℃がより好ましく、90〜150℃がさらに好ましい。また、反応時間は、0.1〜6時間が好ましく、0.5〜5時間がより好ましい。
なお、本発明の吸水性樹脂には、さらに目的に応じて、滑剤、消臭剤、抗菌剤等の添加剤を添加してもよい。
本発明の製造方法によって得られる吸水性樹脂は、生理食塩水保水能が30g/g以上、2.07kPa荷重下での生理食塩水吸水能が28ml/g以上、水可溶分が20質量%以下であり、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、水可溶分が少ない等の安全性にも配慮しているため、衛生材料に好適に使用できるものである。
なお、生理食塩水保水能、2.07kPa荷重下での生理食塩水吸水能および水可溶分は、後述する測定方法によって測定したときの値である。
本発明の吸水性樹脂の生理食塩水保水能は、衛生材料に用いられた際、吸収容量を多くし、液体の逆戻り量を少なくするという観点から、30g/g以上であることが好ましく、35g/g以上であることがより好ましく、40g/g以上であることがさらに好ましく、40〜70g/gであることがよりさらに好ましい。
また、本発明の吸水性樹脂の2.07kPa荷重下での生理食塩水吸水能は、衛生材料に用いられた際、吸液後の衛生材料に圧力がかかった場合における逆戻り量を少なくするという観点から、28ml/g以上であることが好ましく、29ml/g以上であることがより好ましく、30ml/g以上であることがさらに好ましく、30〜45ml/gであることがよりさらに好ましい。
本発明の吸水性樹脂の水可溶分は、衛生材料に用いられた際、ぬめりのある粘性液体の肌への付着を防止する観点から、20質量%以下であることが好ましく、18質量%以下であることがより好ましく、16質量%以下であることがさらに好ましい。
このようにして、水溶性エチレン性不飽和単量体を重合させることにより吸水性樹脂の前駆体を得た後、架橋剤としてオキセタン化合物を添加し、後架橋反応させることにより、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れた吸水性樹脂が得られる。
本発明によるオキセタン化合物が、後架橋剤として有用である理由は明らかではないが、以下に基づくものと推測される。すなわち、吸水性樹脂前駆体に後架橋剤として本発明のオキセタン化合物を反応させることにより、反応の一段階目として、例えば、吸水性樹脂前駆体に含まれるカルボニル基と、オキセタン化合物のR部位のα位炭素上とで求核置換反応が生じ、脱離基としてX部位由来の酸が発生する。この発生した酸は、分子レベルでオキセタン環の近傍に存在し、次工程のオキセタン開環反応の触媒として作用するため、架橋反応が効率よく進行するものと考えられる。したがって、特にXが、スルホニル基を含む原子団の場合、脱離基および触媒としての酸の効果が高く、架橋反応を効率よく進行させているものと考えられる。
以下に、本発明を合成例、製造例、実施例、比較例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はかかる合成例、製造例、実施例のみに限定されるものではない。
各実施例および比較例で得られた吸水性樹脂の評価を、以下の手順により測定した。
(1)生理食塩水保水能
吸水性樹脂2.0gを、綿袋(メンブロード60番、横100mm×縦200mm)中に計り取り、500mL容のビーカー中に入れた。綿袋に生理食塩水(0.9質量%塩化ナトリウム水溶液、以下同様)500gを一度に注ぎ込み、吸水性樹脂のママコが発生しないように生理食塩水を分散させた。綿袋の上部を輪ゴムで縛り、1時間放置して、吸水性樹脂を十分に膨潤させた。遠心力が167Gとなるよう設定した脱水機(国産遠心機株式会社製、品番:H−122)を用いて綿袋を1分間脱水し、脱水後の膨潤ゲルを含んだ綿袋の質量Wa(g)を測定した。吸水性樹脂を添加せずに同様の操作を行い、綿袋の湿潤時空質量Wb(g)を測定し、次式により保水能を求めた。
生理食塩水保水能(g/g)=[Wa−Wb](g)/吸水性樹脂の質量(g)
(2)2.07kPa荷重下での生理食塩水吸水能
吸水性樹脂の2.07kPa荷重下での生理食塩水吸水能は、図1に機略構成を示した測定装置Xを用いて測定した。
図1に示した測定装置Xは、ビュレット部1と導管2、測定台3、測定台3上に置かれた測定部4からなっている。ビュレット部1は、ビュレット10の上部にゴム栓14、下部に空気導入管11とコック12が連結されており、さらに、空気導入管11の上部はコック13がある。ビュレット部1から測定台3までは、導管2が取り付けられており、導管2の直径は6mmである。測定台3の中央部には、直径2mmの穴があいており、導管2が連結されている。測定部4は、円筒40と、この円筒40の底部に貼着されたナイロンメッシュ41と、重り42とを有している。円筒40の内径は、2.0cmである。ナイロンメッシュ41は、200メッシュ(目開き75μm)に形成されている。そして、ナイロンメッシュ41上に所定量の吸水性樹脂5が均一に撒布されるようになっている。重り42は、直径1.9cm、質量59.8gである。この重り42は、吸水性樹脂5上に置かれ、吸水性樹脂5に対して2.07kPaの荷重を均一に加えることができるようになっている。
このような構成の測定装置Xでは、まずビュレット部1のコック12とコック13を閉め、25℃に調節された生理食塩水をビュレット10上部から入れ、ゴム栓14でビュレット上部の栓をした後、ビュレット部1のコック12、コック13を開ける。次に、測定台3中心部における導管2の先端と空気導入管11の空気導入口とが同じ高さになるように測定台3の高さの調整を行う。
一方、円筒40のナイロンメッシュ41上に0.10gの吸水性樹脂5を均一に撒布して、この吸水性樹脂5上に重り42を置く。測定部4は、その中心部が測定台3中心部の導管口に一致するようにして置く。
吸水性樹脂5が吸水し始めた時点から継続的に、ビュレット10内の生理食塩水の減少量(吸水性樹脂5が吸水した生理食塩水量)Wc(mL)を読み取る。吸水開始から60分間経過後における吸水性樹脂5の荷重下での生理食塩水吸水能は、次式により求めた。
荷重下での生理食塩水吸水能(mL/g)=Wc(mL)÷0.10(g)
(3)水可溶分
500mL容のビーカーに、生理食塩水500±0.1gを量り取り、マグネチックスターラーバー(8mmφ×30mmのリング無し)を投入し、マグネチックスターラー(iuchi社製、品番:HS−30D)の上に配置した。引き続きマグネチックスターラーバーを600r/minで回転するように調整し、さらに、マグネチックスターラーバーの回転により生ずる渦の底部は、マグネチックスターラーバーの上部近くになるように調整した。
次に、吸水性樹脂2.0±0.002gを、ビーカー中の渦中央とビーカー側面の間に素早く流し込み分散させ、3時間撹拌した。3時間撹拌後の吸水性樹脂分散水を、標準ふるい(目開き75μm)でろ過し、得られたろ液をさらに桐山式ロート(濾紙No.6)を用い吸引ろ過した。
得られたろ液を恒量化した100mL容のビーカーに80±0.0005g量りとり140℃の熱風乾燥機(ADVANTEC社製、型番:FV−320)で恒量になるまで乾燥させ、ろ液固形分の質量Wd(g)を測定した。
一方、吸水性樹脂を用いずに前記操作と同様に行ない、ろ液固形分の質量We(g)を測定して、次式より水可溶分を算出した。
水可溶分(質量%)=〔[(Wd−We)×(500/80)]/2〕×100
(4)平均粒子径
JIS標準篩を上から、目開き850μmの篩、目開き600μmの篩、目開き425μmの篩、目開き300μmの篩、目開き150μmの篩、目開き75μmの篩および受け皿の順に組み合わせ、一番上の篩に吸水性樹脂約100gを入れ、ロータップ式振盪器を用いて、20分間振盪させた。
次に、各篩上に残った吸水性樹脂粒子の質量を全量に対する質量百分率として計算し、粒子径の大きい方から順に積算することにより、篩の目開きと篩上に残った質量百分率の積算値との関係を対数確率紙にプロットした。確率紙上のプロットを直線で結ぶことにより、積算質量百分率50質量%に相当する粒子径を平均粒子径とした。
(5)吸水性樹脂および吸水性樹脂前駆体の乾燥減量(水分率)
吸水性樹脂(吸水性樹脂前駆体)2.0gを、あらかじめ恒量(Wf(g))としたアルミホイールケース(8号)にとり精秤した(Wg(g))。上記サンプルを、内温を105℃に設定した熱風乾燥機(ADVANTEC社製)で2時間乾燥させた後、デシケーター中で放冷して、乾燥後の質量(Wh(g))を測定した。以下の式から、吸水性樹脂(吸水性樹脂前駆体)の乾燥減量(水分率)を算出した。
乾燥減量(水分率)(質量%)=[(Wg−Wf)−(Wh−Wf)]
÷(Wg−Wf)×100
[架橋剤の合成例1](メタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の合成)(式(1)中、R=エチル基、R=メチレン基、X=メタンスルホニル基の化合物)
温度計、撹拌機、還流冷却器、滴下ロートおよび窒素ガス導入管を備えた1リットル容の四つ口フラスコに、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン44.1g(0.38モル)、トリエチルアミン44.6g(0.44モル)およびトルエン220gを仕込み、窒素ガス雰囲気下で内温が5℃になるまで、氷水浴で外部から冷却した。次いで、メタンスルホニルクロライド45.8g(0.4モル)を内温が10℃を超えないように滴下した後、室温に戻し、さらに2時間撹拌して反応させた。反応後、生成したトリエチルアミン塩酸塩をろ別し、少量のトルエンで洗浄し、反応ろ液を得た。この反応ろ液に、イオン交換水114gを添加、30分間攪拌した。反応液を分液ロートに移して分液した後、得られた有機層を、水浴温度85℃、減圧度75mmHgにて濃縮し、目的のメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)を66.4g得た(0.34モル、収率:90%、純度85%)。なお、前記純度はガスクロマトグラフィーにより得られたチャートのピーク面積比より求めた。
[架橋剤の合成例2](クロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の合成(式(1)中、R=エチル基、R=メチレン基、X=クロロメタンスルホニル基の化合物)
温度計、撹拌機、還流冷却器、滴下ロートおよび窒素ガス導入管を備えた1リットル容の四つ口フラスコに、3−エチル−3−ヒドロキシメチルオキセタン44.1g(0.38モル)、トリエチルアミン44.6g(0.44モル)およびトルエン220gを仕込み、窒素ガス雰囲気下で内温が5℃になるまで、氷水浴で外部から冷却した。次いで、クロロメチルスルホニルクロライド59.6g(0.4モル)を内温が10℃を超えないように滴下した後、室温に戻し、さらに2時間撹拌して反応させた。反応後、生成したトリエチルアミン塩酸塩をろ別し、少量のトルエンで洗浄し、反応ろ液を得た。この反応ろ液に、イオン交換水114gを添加、30分間攪拌した。反応液を分液ロートに移して分液した後、得られた有機層を、水浴温度85℃、減圧度75mmHgにて濃縮し、目的のクロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)を68.0g得た(0.30モル、収率:78%、純度74%)。なお、前記純度はガスクロマトグラフィーにより得られたチャートのピーク面積比より求めた。
[製造例1]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコを準備した。このフラスコにn−ヘプタン340gをとり、HLB3のショ糖ステアリン酸エステル(三菱化学フーズ(株)、リョートーシュガーエステルS−370)0.92gおよび無水マレイン酸変性エチレン・プロピレン共重合体(三井化学(株)、ハイワックス1105A)0.92gを添加し、撹拌しつつ80℃まで昇温して界面活性剤を溶解した後、50℃まで冷却した。
一方、500mL容の三角フラスコに80質量%のアクリル酸水溶液92g(1.02モル)をとり、外部より冷却しつつ、21質量%の水酸化ナトリウム水溶液146.0gを滴下して75モル%の中和を行った後、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウム0.11g(0.41ミリモル)、および内部架橋剤としてN,N’−メチレンビスアクリルアミド9.2mg(0.06ミリモル)を加えて溶解し、第1段目の単量体水溶液を調製した。
この第1段目の単量体水溶液の全量を、前記セパブルフラスコに添加して、系内を窒素で十分に置換した後、フラスコを70℃の水浴に浸漬して昇温し、第1段目の重合を行った後、室温まで冷却して第1段目の重合スラリー液を得た。
一方、別の500mL容の三角フラスコに80質量%のアクリル酸水溶液128.8g(1.43モル)をとり、外部より冷却しつつ、27質量%の水酸化ナトリウム水溶液159.0gを滴下して75モル%の中和を行った後、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウム0.16g(0.59ミリモル)、および内部架橋剤としてN,N’−メチレンビスアクリルアミド12.9mg(0.08ミリモル)を加えて溶解して、第2段目の単量体水溶液を調製した。
この第2段目の単量体水溶液の全量を、前記1段目の重合スラリー液に添加して、系内を窒素で十分に置換した後、再度、フラスコを70℃の水浴に浸漬して昇温し、第2段目の重合を行った。
第2段目の重合後、125℃の油浴で反応液を昇温し、n−ヘプタンと水との共沸蒸留によりn−ヘプタンを還流しながら260gの水を系外へ除去した。さらに系内のn−ヘプタンを蒸留により除去して、球状粒子の凝集体である平均粒子径359μmの吸水性樹脂前駆体(A1)237.5gを得た。この時点での乾燥減量(水分率)は7.1質量%であった。
[実施例1]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。内温を80℃まで昇温した後、水8.0gを添加して同温度で10分間保持した(吸水性樹脂前駆体の水分率:19.9質量%)。
その後、後架橋剤として合成例1で得られたメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の10質量%水溶液5.0g(2.6ミリモル)を添加して混合した。この混合物を125℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を4時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は4.3質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[実施例2]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。内温を80℃まで昇温した後、水8.0gを添加して同温度で10分間保持した(吸水性樹脂前駆体の水分率:19.9質量%)。
その後、後架橋剤として合成例2で得られたクロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の10質量%水溶液5.0g(2.2ミリモル)を添加して混合した。この混合物を125℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を4時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は4.0質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[実施例3]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。内温を80℃まで昇温した後、水3.5gを添加して同温度で10分間保持した(吸水性樹脂前駆体の水分率:13.2質量%)。
その後、後架橋剤として合成例1で得られたメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の10質量%水溶液5.0g(2.6ミリモル)を添加して混合した。この混合物を140℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を1時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は5.2質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[実施例4]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコを準備した。このフラスコにn−ヘプタン340gをとり、HLB3のショ糖ステアリン酸エステル(三菱化学フーズ(株)、リョートーシュガーエステルS−370)0.92gおよび無水マレイン酸変性エチレン・プロピレン共重合体(三井化学(株)、ハイワックス1105A)0.92gを添加し、撹拌しつつ80℃まで昇温して界面活性剤を溶解した後、50℃まで冷却した。
一方、500mL容の三角フラスコに80質量%のアクリル酸水溶液92g(1.02モル)をとり、外部より冷却しつつ、21質量%の水酸化ナトリウム水溶液146.0gを滴下して75モル%の中和を行った後、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウム0.11g(0.41ミリモル)および内部架橋剤としてN,N’−メチレンビスアクリルアミド9.2mg(0.06ミリモル)を加えて溶解し、第1段目の単量体水溶液を調製した。
この第1段目の単量体水溶液の全量を、前記セパブルフラスコに添加して、系内を窒素で十分に置換した後、フラスコを70℃の水浴に浸漬して昇温し、第1段目の重合を行った後、室温まで冷却して第1段目の重合スラリー液を得た。
一方、別の500mL容の三角フラスコに80質量%のアクリル酸水溶液128.8g(1.43モル)をとり、外部より冷却しつつ、27質量%の水酸化ナトリウム水溶液159.0gを滴下して75モル%の中和を行った後、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウム0.16g(0.59ミリモル)および内部架橋剤としてN,N’−メチレンビスアクリルアミド12.9mg(0.08ミリモル)を加えて溶解して、第2段目の単量体水溶液を調製した。
この第2段目の単量体水溶液の全量を、前記1段目の重合スラリー液に添加して、系内を窒素で十分に置換した後、再度、フラスコを70℃の水浴に浸漬して昇温し、第2段目の重合を行った。
第2段目の重合後、125℃の油浴で反応液を昇温し、n−ヘプタンと水との共沸蒸留によりn−ヘプタンを還流しながら260gの水を系外へ除去し、吸水性樹脂前駆体(A2)266gを得た(水分率:18.3質量%)。得られた吸水性樹脂前駆体(A2)(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:2.45モル)に、後架橋剤として合成例2で得られたクロロメタンスルホン酸((3−エチルオキセタン−3−イル)メチル)の10質量%水溶液23.6g(10.3ミリモル)を添加した。この反応液を140℃の油浴で加熱し、水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を1時間行い、吸水性樹脂238gを得た。乾燥減量(水分率)は5.4質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[比較例1]
製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)について物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[比較例2]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。
内温を80℃まで昇温した後、後架橋剤として10質量%1,4−ブタンジオール水溶液5.0g(5.5ミリモル)を添加して混合した。この混合物を180℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を2時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は2.0質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[比較例3]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。
内温を80℃まで昇温した後、後架橋剤として10質量%3−メチル−3−オキセタンメタノール水溶液5.0g(4.9ミリモル)を添加して混合した。この混合物を180℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を2時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は3.2質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
[比較例4]
還流冷却器、滴下ロート、窒素ガス導入管ならびに攪拌機および撹拌羽根を備えた内径110mm、2L容の丸底円筒型セパラブルフラスコに、製造例1で得られた吸水性樹脂前駆体(A1)50g(前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の理論量:0.52モル)およびn−ヘプタン80gを入れた。
内温を80℃まで昇温した後、後架橋剤として10質量%エチレンカーボネート水溶液5.0g(5.7ミリモル)を添加して混合した。この混合物を180℃の油浴で加熱し、得られた混合物の水分およびn−ヘプタンを蒸留により除去、乾燥しながら後架橋反応を2時間行い、吸水性樹脂を得た。乾燥減量(水分率)は1.1質量%であった。吸水性樹脂の物性を上記の方法で測定し、結果を表1に示した。
Figure 0005558824
表1に示された結果から、各実施例の架橋反応は160℃以下で反応が進行し、また各実施例で得られた吸水性樹脂は、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れ、かつ、水可溶分が少ないことが分かる。
本発明の製造方法によって得られた吸水性樹脂は、保水能、荷重下での吸水能等の諸性能に優れて、かつ水可溶分が少ない等の安全性にも配慮しているので、例えば、紙おむつ、失禁パッド、生理用ナプキン等の衛生材料、特に紙おむつに好適に使用することができる。

Claims (2)

  1. 水溶性エチレン性不飽和単量体を重合して得られる吸水性樹脂前駆体に、下記一般式(1):
    Figure 0005558824
    (式中、R1は炭素数1〜6のアルキル基を示し、R2は炭素数1〜6のアルカンジイル基を示し、Xはスルホニル基を含む原子団を示す。)で表されるオキセタン化合物を添加、加熱して後架橋反応させることを特徴とする吸水性樹脂の製造方法。
  2. オキセタン化合物の添加量が、吸水性樹脂前駆体を得るために使用した水溶性エチレン性不飽和単量体の総量に対し、0.001〜5モル%である請求項1に記載の吸水性樹脂の製造方法。
JP2009538002A 2007-10-24 2008-09-09 吸水性樹脂の製造方法 Active JP5558824B2 (ja)

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