JP6425341B2 - ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の製造方法 - Google Patents
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(1−1)「吸水性樹脂」
本発明における「吸水性樹脂」とは、水膨潤性水不溶性の高分子ゲル化剤を指し、下記の物性を満たすものをいう。即ち、水膨潤性としてERT441.2−02で規定されるCRC(遠心分離機保持容量)が5g/g以上であり、かつ、水不溶性としてERT470.2−02で規定されるExt(水可溶分)が50重量%以下である高分子ゲル化剤を指す。
本発明における「ポリアクリル酸(塩)」とは、ポリアクリル酸及び/又はその塩を指し、主成分としてアクリル酸及び/又はその塩(以下、「アクリル酸(塩)」と称する)を繰り返し単位として含み、任意成分としてグラフト成分を含む架橋重合体を意味する。
「EDANA」は、欧州不織布工業会(European Disposables and Nonwovens Associations)の略称であり、「ERT」は、欧州標準(ほぼ世界標準)の吸水性樹脂の測定法(EDANA Recommended Test Methods)の略称である。本発明では、特に断りのない限り、ERT原本(2002年改定)に準拠して、吸水性樹脂の物性を測定する。
「CRC」は、Centrifuge Retention Capacity(遠心分離機保持容量)の略称であり、吸水性樹脂の無加圧下吸水倍率(「吸水倍率」と称する場合もある)を意味する。具体的には、吸水性樹脂0.2gを不織布製の袋に入れた後、大過剰の0.9重量%塩化ナトリウム水溶液中に30分間浸漬して自由膨潤させ、その後、遠心分離機(250G)で3分間、水切りした後の吸水倍率(単位;g/g)のことをいう。
「AAP」は、Absorption Against Pressureの略称であり、吸水性樹脂の加圧下吸水倍率を意味する。具体的には、吸水性樹脂0.9gを大過剰の0.9重量%塩化ナトリウム水溶液に対して、1時間、2.06kPa(21g/cm2、0.3psi)の荷重下で膨潤させた後の吸水倍率(単位;g/g)のことをいう。
「Ext」は、Extractablesの略称であり、吸水性樹脂の水可溶分(水可溶成分量)を意味する。具体的には、吸水性樹脂1.0gを0.9重量%塩化ナトリウム水溶液200mlに添加し、500rpmで16時間攪拌した後、水溶液に溶解した物質の量(単位;重量%)のことをいう。水可溶分の測定には、pH滴定が用いられる。
本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上、Y以下」を意味する。また、特に注釈のない限り、重量の単位である「t(トン)」は「Metric ton(メトリック トン)」を意味し、「ppm」は「重量ppm」又は「質量ppm」を意味する。
以下、本発明に係るポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の製造方法について、説明する。
本工程は、アクリル酸(塩)を主成分として含む水溶液(以下、「単量体水溶液」と称する)を調製する工程である。なお、該「主成分」とは、アクリル酸(塩)の含有量(使用量)が、吸水性樹脂の重合反応に供される単量体(内部架橋剤は除く)全体に対して、好ましくは50モル%以上、より好ましくは70モル%以上、更に好ましくは90モル%以上(上限は100モル%)であることをいう。また、得られる吸水性樹脂の吸水性能を低下させない範囲内で、単量体のスラリー液を使用することもできるが、便宜上、単量体水溶液について説明を行う。
本発明では、得られる吸水性樹脂の物性及び生産性の観点から、単量体としてアクリル酸及び/又はその塩(以下、「アクリル酸(塩)」と称する)が用いられる。該「アクリル酸」としては、重合禁止剤や不純物等の微量成分が含有する公知のアクリル酸を使用することができる。
本発明において「塩基性組成物」とは、塩基性化合物を含有する組成物を指し、例えば、市販の水酸化ナトリウム水溶液等が該当する。
本発明では、アクリル酸塩を得るため、アクリル酸を塩基性組成物で中和することもできる。なお、該中和は、アクリル酸に対する中和(重合前)又はアクリル酸を架橋重合して得られる含水ゲル状架橋重合体に対する中和(重合後)(以下、「後中和」と称する)の何れか一方を選択してもよいし、又は併用することもできる。
本発明では、「他の単量体」として米国特許出願公開第2005/0215734号に記載された化合物(但し、アクリル酸は除く)を、上記アクリル酸(塩)と併用して吸水性樹脂を製造してもよい。なお、本発明に係る製造方法で得られる吸水性樹脂には、親水性又は疎水性の不飽和単量体を共重合成分とする吸水性樹脂も含まれる。
本発明で使用される内部架橋剤として、米国特許第6241928号に記載された化合物が本発明にも適用される。これらの中から反応性を考慮して1種又は2種以上の化合物が選択される。
本発明において、得られる吸水性樹脂の物性向上の観点から、下記の物質を単量体水溶液の調製時に添加することもできる。
本発明において、単量体水溶液を調製する際に、上述した各物質を添加してもよい。該単量体水溶液中の単量体成分の濃度(以下、「モノマー濃度」と称する場合がある)としては特に限定されないが、吸水性樹脂の物性及び生産性の観点から、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは20〜75重量%、更に好ましくは30〜70重量%である。
本工程は、上記単量体水溶液の調製工程で得られたアクリル酸(塩)系単量体水溶液を重合させて、含水ゲル状架橋重合体(以下、「含水ゲル」と称する)を得る工程である。
本発明で使用される重合開始剤は、重合形態等によって適宜選択されるため、特に限定されないが、例えば、熱分解性ラジカル重合開始剤、光分解性ラジカル重合開始剤、又はこれらの重合開始剤の分解を促進する還元剤を併用したレドックス系重合開始剤等が挙げられる。具体的には、米国特許第7265190号に記載された重合開始剤のうち、1種又は2種以上の化合物が用いられる。なお、重合開始剤の取扱性や吸水性樹脂の物性の観点から、好ましくは過酸化物又はアゾ化合物、より好ましくは過酸化物、更に好ましくは過硫酸塩が用いられる。
本発明では、容量の小さい重合反応装置を複数系列でバッチ式で使用することによって、高物性の吸水性樹脂を高い生産量で製造することができる。
本発明では、重合工程が複数系列のバッチ式重合反応装置からなり、該複数系列の重合反応装置において、該系列ごとに重合開始時期を変えて、バッチ式重合反応を行う。以下、具体例を挙げて説明する。
本発明において使用される重合反応装置としては、閉鎖系において重合条件を一定に保ちながら重合することができる装置であれば特に限定されないが、例えば、タンク式反応装置、撹拌翼付き反応装置、又はニーダー反応装置が挙げられる。
本発明における「後処理工程」とは、重合工程以後で、かつ、少なくとも乾燥工程及び表面架橋工程が実施される複数の工程を総称するものである。具体的には、後述の(2−3−1)〜(2−3−9)に掲げた工程をひとまとめにした総称である。なお、重合工程がニーダー重合に代表されるように、重合とゲル粉砕が同時に行われる場合には、ゲル粉砕工程は後処理工程には含まれない。
本工程は、上記重合工程で得られた含水ゲルをニーダー、ミートチョッパー等のスクリュー押出し機、カッターミル等のゲル粉砕機でゲル粉砕し、粒子状の含水ゲル(以下、「粒子状含水ゲル」と称する)を得る工程である。なお、上記重合工程がニーダー重合の場合、重合工程とゲル粉砕工程が同時に実施されていることになり、この場合、本発明の後処理工程に含まれない。また、重合工程が逆相懸濁重合等、粒子状含水ゲルが重合過程で直接得られる場合には、該ゲル粉砕工程が実施されないこともある。
本工程は、上記重合工程及び/又はゲル粉砕工程で得られた粒子状含水ゲルを所定の固形分まで乾燥させて「乾燥重合体」を得る工程である。なお、乾燥後の固形分は、乾燥減量(吸水性樹脂1gを180℃で3時間加熱した際の重量変化)から求められる値であり、好ましくは80重量%以上、より好ましくは85〜99重量%、更に好ましくは90〜98重量%、特に好ましくは92〜97重量%である。
本工程は、上記乾燥工程で得られた乾燥重合体を粉砕(粉砕工程)し、所定範囲の粒度に調整(分級工程)して、吸水性樹脂粉末(表面架橋を施す前の、粉末状の吸水性樹脂を便宜上「吸水性樹脂粉末」と称する)を得る工程である。
(粒度)
本工程で得られる吸水性樹脂粉末は、D50(重量平均粒子径)として、好ましくは200〜600μm、より好ましくは200〜550μm、更に好ましくは250〜500μm、特に好ましくは350〜450μmである。また、粒子径が150μm未満の粒子の割合は、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは1重量%以下であり、粒子径が850μm以上の粒子の割合は、好ましくは5重量%以下、より好ましくは3重量%以下、更に好ましくは1重量%以下である。なお、これらの粒子の割合の下限値としては、何れの場合も少ないほど好ましく、0重量%が望まれるが、0.1重量%程度であってもよい。更に、σζ(粒度分布の対数標準偏差)は、好ましくは0.20〜0.50、より好ましくは0.25〜0.40、更に好ましくは0.27〜0.35である。なお、これらの粒度は、米国特許第7638570号やERT420.2−02に記載されている測定方法に準じて、標準篩を用いて測定される。
本工程は、上述した工程を経て得られる吸水性樹脂粉末の表面層(吸水性樹脂粉末の表面から数10μmの部分)に、更に架橋密度の高い部分を設ける工程であり、以下の混合工程、加熱処理工程及び冷却工程(任意)から構成される。
本発明で使用される表面架橋剤としては、特に限定されないが、有機又は無機の表面架橋剤が挙げられる。中でも、吸水性樹脂の物性や表面架橋剤の取扱性の観点から、カルボキシル基と反応する有機表面架橋剤が好ましい。例えば、米国特許第7183456号に記載される1種又は2種以上の表面架橋剤が挙げられる。より具体的には、多価アルコール化合物、エポキシ化合物、ハロエポキシ化合物、多価アミン化合物又はそのハロエポキシ化合物との縮合物、オキサゾリン化合物、オキサゾリジノン化合物、多価金属塩、アルキレンカーボネート化合物、環状尿素化合物等が挙げられる。
本工程は、吸水性樹脂粉末と上記表面架橋剤とを混合する工程である。該表面架橋剤の混合方法については、特に限定されないが、予め表面架橋剤溶液を作成しておき、該溶液を吸水性樹脂粉末に対して、好ましくは噴霧又は滴下して、より好ましくは噴霧して混合する方法が挙げられる。
本工程は、上記混合工程から排出された混合物に熱を加えて、吸水性樹脂粉末の表面上で架橋反応を起させる工程である。
本工程は、上記加熱処理工程後に必要に応じて設置される任意の工程である。
本工程は、上記表面架橋工程で得られた吸水性樹脂粒子に、下記の多価金属塩、カチオン性ポリマー、キレート剤、無機還元剤、α−ヒドロキシカルボン酸化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の添加剤を添加する工程である。
本発明において、得られる吸水性樹脂の吸水速度、通液性、吸湿流動性等の観点から、多価金属塩及び/又はカチオン性ポリマーを添加することが好ましい。
本発明において、得られる吸水性樹脂の色調(着色防止)、劣化防止等の観点から、キレート剤を添加することが好ましい。
本発明において、得られる吸水性樹脂の色調(着色防止)、劣化防止、残存モノマー低減等の観点から、無機還元剤を添加することが好ましい。
本発明において、得られる吸水性樹脂の色調(着色防止)等の観点から、α−ヒドロキシカルボン酸化合物を添加することが好ましい。なお、「α−ヒドロキシカルボン酸化合物」とは、分子内にヒドロキシル基を有するカルボン酸又はその塩のことで、α位にヒドロキシル基を有するヒドロキシカルボン酸である。
本発明においては、上述した添加剤以外の添加剤を、吸水性樹脂に種々の機能を付加させるため、添加することもできる。該添加剤として、具体的には、界面活性剤、リン原子を有する化合物、酸化剤、有機還元剤、水不溶性無機微粒子、金属石鹸等の有機粉末、消臭剤、抗菌剤、パルプや熱可塑性繊維等が挙げられる。なお、上記界面活性剤は、国際公開第2005/075070号に記載された化合物が、また、上記水不溶性無機微粒子は、国際公開第2011/040530号の「〔5〕水不溶性無機微粒子」に記載された化合物が、それぞれ本発明に適用される。
本工程は、上述した工程のうち、少なくとも一部を経て製造された最終製品としての吸水性樹脂をホッパー等に貯蔵(貯蔵工程)した後、コンテナバッグやペーパーバッグ等の充填容器に充填する工程(充填工程)である。
本発明に係るポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の製造方法は、大スケールでの長期連続稼働に適しており、生産量として1ラインあたり、好ましくは1t/hr以上がよく、また、稼働日数として好ましくは10日間以上、より好ましくは1ヶ月間以上の連続稼働がよい。なお、本発明では、「連続稼働」は品番の切り替え(物性の変更)を含め、実質的な連続稼働を指し、一時的に停止する場合も連続稼働の範疇に入るものとする。
上記各工程は、重合工程から最終の充填工程までは、スクリューフィーダー、バケットコンベア、フライトコンベア、ベルトコンベアや空気輸送等の各種搬送機で連結され、必要により中間貯蔵され、全体として基本的に連結され、好ましくは密閉系で製造及び充填がなされる。
本発明においては、上述した工程以外に、造粒工程、整粒工程、微粉除去工程、微粉の再利用工程等を必要に応じて設けることができる。なお、「整粒工程」は、表面架橋工程以降の微粉除去工程や吸水性樹脂が凝集し、所望の大きさを超えた場合に分級、粉砕を行う工程を含む。また、「微粉の再利用工程」は、微粉をそのまま添加する形態の他、大きな含水ゲルにして、吸水性樹脂の製造工程の何れかの工程に添加する工程を含む。
本発明に係る製造方法で得られるポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂は、以下の物性を満たすものが望まれる。なお、該吸水性樹脂を衛生用品、特に紙オムツに使用する場合、下記(3−1)〜(3−3)に掲げた物性のうち、少なくとも1つ以上、好ましくはAAPを含めた2つ以上、より好ましくは3つすべての物性を、所望する範囲に制御することが望まれる。
本発明の吸水性樹脂のCRC(遠心分離機保持容量)は、物性の安定化の観点から分析点数nの平均値として、通常5g/g以上、好ましくは10〜100g/g、より好ましくは20〜50g/g、更に好ましくは25〜40g/g、特に好ましくは27〜36g/gである。上記CRCの平均値が5g/g未満の場合、吸水量が少なく、紙オムツ等の衛生用品の吸収体として適さない。また、上記CRCの平均値が100g/gを超える場合、尿や血液等の体液等を吸収する速度が低下するため、高吸水速度タイプの紙オムツ等への使用に適さない。また、分析点数nでの標準偏差としては、好ましくは0.70以下、より好ましくは0.60以下、更に好ましくは0.50以下である。標準偏差の下限値としては特に限定されないが、好ましくは0以上である。なお、CRCは、内部架橋剤や表面架橋剤等で制御することができる。
本発明の吸水性樹脂のAAP(加圧下吸水倍率)は、物性の安定化の観点から分析点数nの平均値として、好ましくは15〜40g/g、より好ましくは20〜35g/g、更に好ましくは25〜35g/gである。上記AAPの平均値が15g/g未満の場合、吸収体に圧力が加わった際の液の戻り量(以下、「Re−Wet(リウェット)」と称する)が多くなり、紙オムツ等の衛生用品の吸収体として適さない。また、分析点数nでの標準偏差としては、好ましくは0.60以下、より好ましくは0.50以下、更に好ましくは0.40以下である。標準偏差の下限値としては特に限定されないが、好ましくは0以上である。なお、AAPは、粒度や表面架橋剤等で制御することができる。
本発明の吸水性樹脂のWB(ホワイトバランス)は、物性の安定化の観点から分析点数nの平均値として、好ましくは75以上、より好ましくは80以上、更に好ましくは85以上である。なお、該WB値は、その値が大きいほど白色度が高くなる。また、分析点数nでの標準偏差としては、好ましくは1.6以下、より好ましくは1.3以下、更に好ましくは1.0以下である。標準偏差の下限値としては特に限定されないが、好ましくは0以上である。
本発明のポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂は、特に限定されないが、紙オムツ、生理用ナプキン、失禁パッド等の衛生用品の吸収体用途として、使用されることが好ましい。特に、原料由来の臭気、着色等が問題となっていた高濃度紙オムツ(紙オムツ1枚あたりの吸水性樹脂の使用量が多いもの)の吸収体として使用することができる。更に、上記吸収体の上層部に使用される場合に、顕著な効果が期待できる。
(a)CRC(遠心分離機保持容量)
本発明の吸水性樹脂のCRC(遠心分離機保持容量)は、EDANA法(ERT441.2−02)に準拠して測定した。
本発明の吸水性樹脂のAAP(加圧下吸水倍率)は、EDANA法(ERT442.2−02)に準拠して測定した。
本発明の吸水性樹脂のWB(ホワイトバランス)は、測定装置として日本電色工業株式会社製の分光式色差計(SZ−Σ80)を使用し、反射測定を選択して測定した。なお、該分光式色差計には、粉末・ペースト試料用容器(内径30mm、高さ12mm)、粉末・ペースト試料用標準丸白板No.2及び30Φ投光パイプが備えられている。
本発明に係る吸水性樹脂の製造装置として、重合、乾燥、粉砕、分級、表面架橋及び整粒の各操作が行われる装置を含む、製造装置を用意した。なお、該製造装置は、上記の各装置がこの順序で配置されており、各装置間は輸送装置によって連結されている。また、該表面架橋を行う装置には、表面架橋剤との混合、熱処理及び冷却の各操作を行う装置が含まれている。該製造装置を用いて、本発明の吸水性樹脂を2000kg/hrで連続的に製造した。
上記実施例1で使用したニーダー(A)及びニーダー(B)と同一形状で容量が2倍であるニーダー(C)1基を用いて重合し、該重合反応で得られた比較含水ゲルを一時的に貯蔵する中間タンクを重合工程と乾燥工程との間に設けた以外は、実施例1と同様の操作を行って、比較吸水性樹脂(1)を得た。
本発明に係る吸水性樹脂の製造装置として、重合、ゲル粉砕、後中和、乾燥、粉砕、分級、表面架橋及び整粒の各操作が行われる装置を含む、製造装置を用意した。なお、該製造装置は、上記の各装置がこの順序で配置されており、各装置間は輸送装置によって連結されている。また、該表面架橋を行う装置には、表面架橋剤との混合、熱処理及び冷却の各操作を行う装置が含まれている。該製造装置を用いて、本発明の吸水性樹脂を2000kg/hrで連続的に製造した。
上記実施例2で使用した重合タンク(a)及び重合タンク(b)と同一形状で容量が2倍である重合タンク(c)1基を用いて重合し、該重合反応で得られた比較含水ゲルを一時的に貯蔵する中間タンクを重合工程と乾燥工程との間に設けた以外は、実施例2と同様の操作を行って、比較吸水性樹脂(2)を得た。
表1に示したように、実施例のCRC、AAP、WBの測定値は、比較例に対して、平均値が大きくなり吸水性樹脂の性能が向上することが明らかとなった。更に、これらの物性値の標準偏差は、比較例に対して小さくなり、物性値の振れが低減した。
Claims (16)
- アクリル酸(塩)を主成分とする単量体水溶液を重合する重合工程、及び、
重合工程以後で、かつ、少なくとも乾燥工程及び表面架橋工程が実施される後処理工程を含む、ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の製造方法であって、
上記重合工程は複数系列のバッチ式重合反応装置を使用して行い、該複数系列の重合反応装置において、該系列ごとに重合開始時期を変えて、バッチ式重合反応を行い、かつ、
複数系列の生成物を、上記後処理工程に含まれる少なくとも1つの工程において、同一の後処理装置で連続的に処理する、ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の製造方法。 - 上記重合反応装置が、タンク式反応装置、撹拌翼付き反応装置、又はニーダー反応装置である、請求項1に記載の製造方法。
- 上記重合反応装置の内壁面が、耐腐食性の材質で構成されている、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 上記耐腐食性の材質が、グラスライニング鋼、ステンレス鋼、又は樹脂ライニング鋼である、請求項3に記載の製造方法。
- 上記後処理工程が、上記乾燥工程で得られた乾燥重合体の粉砕工程、分級工程、添加剤の添加工程の少なくとも1つ以上の工程を更に含み、
上記複数系列の生成物を、乾燥工程、粉砕工程、分級工程、表面架橋工程、及び添加剤の添加工程から選ばれる少なくとも1つ以上の工程において、同一の後処理装置で連続的に処理する、請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。 - 上記後処理工程が、複数系列のバッチ式重合反応で得られた生成物である含水ゲル状架橋重合体をゲル粉砕する、ゲル粉砕工程を更に含み、
上記複数系列のバッチ式重合反応で得られた含水ゲル状架橋重合体を、ゲル粉砕工程において、同一のゲル粉砕装置で連続的に処理する、請求項1〜5の何れか1項に記載の製造方法。 - 上記ゲル粉砕工程において、界面活性剤、粉体の滑剤及び吸水性樹脂微粉から選ばれる少なくとも1つ以上の添加剤を添加する、請求項6に記載の製造方法。
- 上記ゲル粉砕工程において、塩基性組成物、架橋剤、酸化剤及び還元剤から選ばれる少なくとも1つ以上の添加剤を添加する、請求項6に記載の製造方法。
- 上記ゲル粉砕工程において、ゲル粉砕装置の動力を監視する、請求項6〜8の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記ゲル粉砕工程において、ゲル粉砕装置の動力の時間変動が、時間平均値の0.5〜2.0倍である、請求項6〜9の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記生成物が上記バッチ式重合反応装置から排出された時点を起点として上記乾燥装置への供給が完了するまでの時間で規定されるゲル滞留時間が、上記バッチ式重合反応装置内での滞留時間より短い、請求項1〜10の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の初期色調が、WB値で75以上である、請求項1〜11の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記複数系列の重合反応装置において行われるバッチ式重合反応が同一条件である、請求項1〜12の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記複数系列の重合反応装置が2基であり、該2基の重合反応装置を交互に稼働させる、請求項1〜13の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記後処理工程において、複数系列の生成物を1系列にし、その後、複数系列に再分配する、請求項1〜14の何れか1項に記載の製造方法。
- 上記後処理工程での処理量が、乾燥された吸水性樹脂換算で、1t/hr以上である、請求項1〜15の何れか1項に記載の製造方法。
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