JP6473162B2 - 高吸水性樹脂およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高吸水性樹脂およびその製造方法に関する。より詳細には、他の物性の低下なしに優れた通液性を有する高吸水性樹脂およびその製造方法に関する。
本出願は、2013年9月30日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2013−0116682号の出願日の利益を主張し、その内容の全部は本明細書に含まれる。
高吸水性樹脂(Super Absorbent Polymer、SAP)とは、自重の5百〜1千倍程度の水分を吸収できる機能を有する合成高分子物質であり、開発会社ごとにSAM(Super Absorbency Material)、AGM(Absorbent Gel Material)などそれぞれ異なるように命名している。このような高吸水性樹脂は、生理用具として実用化し始め、現在は乳幼児用紙おむつなど衛生用品以外に、園芸用土壌保水材、土木・建築用止水材、育苗用シート、食品流通分野における新鮮度保持剤、および湿布用などの材料として幅広く使用されている。
このような高吸水性樹脂を製造する方法としては、逆相懸濁重合による方法または水溶液重合による方法などが知られている。逆相懸濁重合については、例えば、日本特開昭56−161408、特開昭57−158209、および特開昭57−198714などに開示されている。水溶液重合による方法としては、さらに、多軸を備えた粉練り機内で重合ゲルを破断、冷却しながら重合する熱重合方法、および高濃度水溶液をベルト上で紫外線などを照射して重合と乾燥を同時に行う光重合方法などが知られている。
このような重合反応を経て得られた含水ゲル状重合体は一般に乾燥工程を経て粉砕した後、粉末状の製品で市販される。
一方、高吸水性樹脂の製造過程で架橋化されなかった高分子である水可溶成分が生成されるが、このような水可溶成分の含量が高い場合、高吸水性樹脂の溶液吸収特性を高める長所がある反面、高吸水性樹脂が液体と接触時、簡単に溶出されて表面がねばねばになるか、または接触する皮膚に悪い影響を与える原因にもなる。また、水可溶成分の含量が高い場合、溶出された水可溶成分が高吸水性樹脂の表面の大部分に存在するようになって高吸水性樹脂をねばねばにして溶液を他の高吸水性樹脂へ迅速に伝達する能力である通液性が減少するようになる。
したがって、高い吸収特性を維持しながらも通液性に優れた高吸水性樹脂の開発が要求される実情である。
日本特開昭56−161408号公報 日本特開昭57−158209号公報 日本特開昭57−198714号公報
Buchholz, F. L. and Graham, A. T.の著書"Modern Super absorbent Polymer Technology"John Wiley and Sons(1998)のp161 Reinhold Schwalmの著書"UV Coatings:Basics, Recent Developments and New Application(Elsevier,2007)のp115 Odianの著書‘Principle of Polymerization(Wiley,1981)'のp203
上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明の一実施形態は、保水能または加圧吸水能の低下がなく、膨潤時にも通液性に優れた高吸水性樹脂を提供することを目的とする。
また、本発明の他の一実施形態は、前記高吸水性樹脂の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、水溶性エチレン系不飽和単量体を重合させたベース樹脂を表面架橋させた架橋重合体、および水可溶成分を含む高吸水性樹脂であって、前記高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後に溶出された溶液で測定した水可溶成分に対して、重量平均分子量が100,000〜300,000である水可溶成分の重量平均分子量(M)のログ値に対する分子量分布(dwt/d(logM))が0.86以下であり、前記水可溶成分が高吸水性樹脂全体に対して5重量%以下で含まれる高吸水性樹脂を提供する。
また、本発明は、水溶性エチレン系不飽和単量体および重合開始剤を含むモノマー組成物に熱重合または光重合を行って含水ゲル状重合体を形成する段階と、前記含水ゲル状重合体を乾燥する段階と、
前記乾燥された重合体を粉砕する段階と、
粉砕された重合体に表面架橋剤および水を含む表面架橋溶液を混合して180〜200℃で加熱することによって表面架橋反応を行う段階と、
を含む高吸水性樹脂の製造方法を提供する。
本発明の高吸水性樹脂および高吸水性樹脂の製造方法によれば、向上した透過率を有しながらも、保水能または加圧吸水能の低下がなく、膨潤時にも通液性に優れた高吸水性樹脂を提供することができる。
本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することができるところ、特定の実施形態を例示し、以下で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定するものでなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものと理解しなければならない。
以下、本発明の一実施形態に係る高吸水性樹脂および高吸水性樹脂の製造方法について詳細に説明する。
本発明の一実施形態による高吸水性樹脂は、水溶性エチレン系不飽和単量体を重合させたベース樹脂を表面架橋させた架橋重合体、および水可溶成分を含む高吸水性樹脂であって、前記高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後に溶出された溶液で測定した水可溶成分に対して、重量平均分子量が100,000〜300,000である水可溶成分の重量平均分子量(M)のログ値に対する分子量分布(dwt/d(logM))が0.86以下であり、前記水可溶成分が高吸水性樹脂全体に対して5重量%以下で含まれることを特徴とする。
高吸水性樹脂の製造過程で架橋化されなかった高分子である水可溶成分が生成される。前記水可溶成分は、重合時に用いる開始剤の含量、重合温度、架橋剤の含量、表面架橋工程条件などにより水可溶成分の全体含量および水可溶成分の分子量に大きな差を示すようになる。
このような水可溶成分の含量が高い場合、高吸水性樹脂の吸収能力が向上する長所がある反面、高吸水性樹脂が液体との接触時、簡単に溶出されておむつなどの表面がねばねばになるか、または皮膚などに損傷を与える原因にもなる。一方、水可溶成分の含量が高い場合、溶出された水可溶成分の大部分が高吸水性樹脂の表面に残留し、高吸水性樹脂をねばねばにして通液性が減少するようになる。このような吸収能と通液性は相反する特性であり、このような2つの特性が共に向上した高吸水性樹脂は非常に優れた物性を有することができる。特に、例えば、おむつの厚さがスリム化する最近の傾向を考慮すれば、前記特性が一層重要になる。
一方、高吸水性樹脂において水可溶成分は、重合時に架橋化が不完全であって架橋化されなかった状態で存在することもできる。しかし、大部分の水可溶成分は、乾燥過程で架橋剤が分解されたりまたは主高分子鎖が切れて発生することもできる。この場合、架橋化された鎖よりは、一側は架橋されたが、他側は架橋されなかったため、自由な高分子鎖の形態で熱により高分子鎖が分解されると水可溶成分として溶出されるようになる。このような水可溶成分は、特に高吸水性樹脂がおむつなどの製品に適用されて用いられる時、液体を吸収する膨潤状態で通液性や不快感が問題となる。
そこで、本発明の高吸水性樹脂は、前記水可溶成分の分子量に応じた含量分布を調節することによって、高い保水能および優れた通液性を有し、膨潤時に溶出される水可溶成分が最小化されて不快感が減少することができる。高吸水性樹脂は、膨潤されながら樹脂内に混合されている水可溶成分が溶出され、初期には低分子量の水可溶成分が溶出され、溶出時間が長くなるほど、高分子量の水可溶成分が溶出されるようになるが、特に、1時間膨潤時には10万〜30万の分子量を有する水可溶成分が最も多く溶出される。したがって、1時間膨潤時の水可溶成分量に主な影響を与える分子量10万〜30万の水可溶成分の量を調節することによって、1時間膨潤時の水可溶成分量を減少させることができるという事実を発見して本発明に至るようになった。
つまり、本発明の高吸水性樹脂は、前記高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%のNaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後に測定した時、重量平均分子量(M)が100,000〜300,000の範囲である水可溶成分において、割合(dwt/d(log M))が0.86以下である。より具体的には、本発明の高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後、GPCを用いて分子量分布を測定した時、重量平均分子量(M)が100,000〜300,000範囲である水可溶成分において、割合(dwt/d(log M))が0.86以下、好ましくは約0.8以下である。
また、本発明の一実施形態によれば、前記溶出された水可溶成分の含量は、高吸水性樹脂全体の重量に対して約5重量%以下、好ましくは約4重量%以下であってもよい。
前記高吸水性樹脂が前述のような水可溶成分の含量および分子量による含量分布を有する時、膨潤時に溶出される水可溶成分が最小化されて不快感が減少することができる。
そして、前記高吸水性樹脂は、EDANA法WSP241.2に従って測定した保水能が約26〜約37g/gであってもよく、好ましくは約28〜約35g/gであってもよい。
また、前記高吸水性樹脂は、EDANA法WSP242.2に従って測定した加圧吸収能が約20〜約26g/g、好ましくは約22〜約25g/gであってもよい。
なお、前記高吸水性樹脂は、約5〜約200秒、好ましくは約10〜約100秒、より好ましくは約10〜約30秒の透過率を有してもよい。
前記透過率は、塩水(0.9%NaCl水溶液)が膨潤された高吸水性樹脂をどれくらい良好に透過するかを示す尺度であり、文献(Buchholz, F.L. and Graham, A.T., “Modern Superabsorbent Polymer Technology, ” John Wiley and Sons(1998), page 161)に記述された方法によって、0.2gの高吸水性樹脂粉末を30分間膨潤させた後、3psiの圧力を加えた後、0.9%塩水溶液が透過するのにかかる時間を測定して評価する。
前述のような特性を有する本発明の高吸水性樹脂は、表面架橋反応と関連した条件を調節して達成することができる。水可溶成分は、重合時に用いる開始剤の含量、重合温度、架橋剤の含量、表面架橋工程条件などにより水可溶成分の全体含量および水可溶成分の分子量に大きな差を示すようになる。従来、水可溶成分を調節するために知られた方法としては、ベース樹脂の重合後に中和などの後工程を実施したり、添加剤を混合する方法、架橋剤含量を増加させる方法などがある。しかし、これらの方法は、全体的な高吸水性樹脂の生産性を低下させたり吸収特性を低下させるという短所がある。
一方、本発明によれば、追加の工程や添加剤の投入なしに表面架橋工程の条件を調節することによって水可溶成分の含量分布を調節し、これによって高吸水性樹脂の吸収特性と水可溶成分の物性を最適化して均衡をなした樹脂を製造することができる。
そこで、本発明の他の一実施形態による高吸水性樹脂の製造方法は、水溶性エチレン系不飽和単量体および重合開始剤を含むモノマー組成物に熱重合または光重合を行って含水ゲル状重合体を形成する段階と、前記含水ゲル状重合体を乾燥する段階と、前記乾燥された重合体を粉砕する段階と、粉砕された重合体に表面架橋剤および水を含む表面架橋溶液を混合して180〜200℃で加熱することによって表面架橋反応を行う段階と、を含む。
本発明の高吸水性樹脂の製造方法において、前記高吸水性樹脂の原料物質であるモノマー組成物は、水溶性エチレン系不飽和単量体および重合開始剤を含む。
前記水溶性エチレン系不飽和単量体は、高吸水性樹脂の製造に通常用いられる任意の単量体を特別な制限なく用いることができる。ここには、陰イオン性単量体とその塩、非イオン系親水性含有単量体およびアミノ基含有不飽和単量体およびその4級化物からなる群より選択されるいずれか一つ以上の単量体を用いることができる。
具体的には、(メタ)アクリル酸、無水マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、イタコン酸、2−アクリロイルエタンスルホン酸、2−メタアクリロイルエタンスルホン酸、2−(メタ)アクリロイルプロパンスルホン酸または2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の陰イオン性単量体とその塩;(メタ)アクリルアミド、N−置換(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレートまたはポリエチレングリコール(メタ)アクリレートの非イオン系親水性含有単量体;および(N,N)−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートまたは(N,N)−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミドのアミノ基含有不飽和単量体およびその4級化物からなる群より選択されたいずれか一つ以上を用いることができる。
より好ましくは、アクリル酸またはその塩、例えば、アクリル酸またはそのナトリウム塩などのアルカリ金属塩を用いることができるが、このような単量体を用いてより優れた物性を有する高吸水性樹脂の製造が可能になる。前記アクリル酸のアルカリ金属塩を単量体として用いる場合、アクリル酸を苛性ソーダ(NaOH)のような塩基性化合物で中和させて用いることができる。
前記水溶性エチレン系不飽和単量体の濃度は、前記高吸水性樹脂の原料物質および溶媒を含む単量体組成物に対して約20〜約60重量%、好ましくは約40〜約50重量%になることができ、重合時間および反応条件などを考慮して適切な濃度になることができる。ただし、前記単量体の濃度が過度に低くなる場合、高吸水性樹脂の収率が低く、経済性に問題が生じるおそれがあり、反対に、濃度が過度に高くなる場合、単量体の一部が析出されたり、重合された含水ゲル状重合体の粉砕時に粉砕効率が低く示されるなど、工程上の問題が生じることがあり、高吸水性樹脂の物性が低下するおそれがある。
本発明の高吸水性樹脂製造方法において重合時に用いられる重合開始剤は、高吸水性樹脂の製造に一般に用いられるものであれば特に限定されない。
具体的に、前記重合開始剤は、重合方法に応じて熱重合開始剤またはUV照射による光重合開始剤を用いることができる。ただし、光重合方法によるとしても、紫外線照射などの照射により一定量の熱が発生し、また、発熱反応である重合反応の進行によりある程度の熱が発生するため、追加的に熱重合開始剤を含むこともできる。
前記光重合開始剤は、紫外線のような光によりラジカルを形成することができる化合物であればその構成の限定なしに用いることができる。
前記光重合開始剤としては、例えば、ベンゾインエーテル(benzoin ether)、ジアルキルアセトフェノン(dialkyl acetophenone)、ヒドロキシルアルキルケトン(hydroxyl alkylketone)、フェニルグリオキシレート(phenyl glyoxylate)、ベンジルジメチルケタール(Benzyl Dimethyl Ketal)、アシルホスフィン(acyl phosphine)およびα−アミノケトン(α−aminoketone)からなる群より選択される一つ以上を用いることができる。一方、アシルホスフィンの具体的な例として、商用のlucirin TPO、つまり、2,4,6−トリメチル−ベンゾイル−トリメチルホスフィンオキシド(2,4,6−trimethyl−benzoyl−trimethyl phosphine oxide)を用いることができる。より多様な光開始剤に対しては、Reinhold Schwalmの著書である “UV Coatings: Basics, Recent Developments and New Application(Elsevier 2007年)”のp115によく明示されており、前述した例に限定されない。
前記光重合開始剤は、前記モノマー組成物に対して約0.01〜約1.0重量%の濃度で含まれてもよい。このような光重合開始剤の濃度が過度に低い場合、重合速度が遅くなるおそれがあり、光重合開始剤の濃度が過度に高い場合、高吸水性樹脂の分子量が小さくて物性が不均一になるおそれがある。
また、前記熱重合開始剤としては、過硫酸塩系開始剤、アゾ系開始剤、過酸化水素およびアスコルビン酸からなる開始剤群より選択される一つ以上を用いることができる。具体的に、過硫酸塩系開始剤の例としては、過硫酸ナトリウム(Sodium persulfate;Na228)、過硫酸カリウム(Potassium persulfate;K228)、過硫酸アンモニウム(Ammonium persulfate;(NH4228)などがあり、アゾ(Azo)系開始剤の例としては、2,2−アゾビス−(2−アミジノプロパン)二塩酸塩(2,2−azobis(2−amidinopropane) dihydrochloride)、2,2−アゾビス−(N,N−ジメチレン)イソブチラミジンジヒドロクロライド(2,2−azobis−(N,N−dimethylene)isobutyramidine dihydrochloride)、2−(カルバモイルアゾ)イソブチロニトリル(2−(carbamoylazo)isobutylonitril)、2,2−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジヒドロクロライド(2,2−azobis[2−(2−imidazolin−2−yl)propane] dihydrochloride)、4,4−アゾビス−(4−シアノ吉草酸)(4,4−azobis−(4−cyanovaleric acid))などがある。より多様な熱重合開始剤に対しては、Odianの著書である‘Principle of Polymerization(Wiley, 1981)’のp203によく明示されており、前述した例に限定されない。
前記熱重合開始剤は、前記モノマー組成物に対して約0.001〜約0.5重量%の濃度で含まれてもよい。このような熱重合開始剤の濃度が過度に低い場合、追加的な熱重合がほとんど起こらず、熱重合開始剤の追加による効果が微小であるおそれがあり、熱重合開始剤の濃度が過度に高い場合、高吸水性樹脂の分子量が小さく、物性が不均一になるおそれがある。
本発明の一実施形態によれば、前記モノマー組成物は、高吸水性樹脂の原料物質として内部架橋剤をさらに含むことができる。前記内部架橋剤としては、前記水溶性エチレン系不飽和単量体の水溶性置換基と反応可能な官能基を1個以上有すると共に、エチレン性不飽和基を1個以上有する架橋剤;あるいは前記単量体の水溶性置換基および/または単量体の加水分解により形成された水溶性置換基と反応可能な官能基を2個以上有する架橋剤を用いることができる。
前記内部架橋剤の具体的な例としては、炭素数8〜12のビスアクリルアミド、ビスメタアクリルアミド、炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アクリレートまたは炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アリルエーテルなどが挙げられ、より具体的には、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリレート、エチレンオキシ(メタ)アクリレート、ポリエチレンオキシ(メタ)アクリレート、プロピレンオキシ(メタ)アクリレート、グリセリンジアクリレート、グリセリントリアクリレート、トリメチロールトリアクリレート、トリアリルアミン、トリアリールシアヌレート、トリアリルイソシアネート、ポリエチレングリコール、ジエチレングリコールおよびプロピレングリコールからなる群より選択された一つ以上を用いることができる。
このような内部架橋剤は、前記モノマー組成物に対して約0.01〜約0.5重量%の濃度で含まれて、重合された高分子を架橋させることができる。
本発明の製造方法において、高吸水性樹脂の前記モノマー組成物は、必要に応じて増粘剤(thickener)、可塑剤、保存安定剤、酸化防止剤などの添加剤をさらに含むことができる。
前述した水溶性エチレン系不飽和単量体、光重合開始剤、熱重合開始剤、内部架橋剤および添加剤のような原料物質は、溶媒に溶解されたモノマー組成物溶液の形態で準備され得る。
この時、使用可能な前記溶媒は、前述した成分を溶解可能であればその構成の限定なしに用いることができ、例えば、水、エタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,4−ブタンジオール、プロピレングリコール、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、メチルエチルケトン、アセトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、トルエン、キシレン、ブチロラクトン、カルビトール、酢酸メチルセロソルブおよびN,N−ジメチルアセトアミドなどから選択された1種以上を組み合わせて用いることができる。
前記溶媒は、モノマー組成物の総含量に対して前述した成分を除いた残量で含まれてもよい。
一方、このようなモノマー組成物を熱重合または光重合して含水ゲル状重合体を形成する方法も、通常用いられる重合方法であれば特に構成の限定がない。
具体的に、重合方法は、重合エネルギー源に応じて大きく熱重合および光重合に区分され、通常、熱重合を行う場合、ニーダー(kneader)のような攪拌軸を有する反応機で行われ、光重合を行う場合、移動可能なコンベヤーベルトを備えた反応機で行われ得るが、前述した重合方法は一例に過ぎず、本発明は前述した重合方法に限定されない。
一例として、前述のように攪拌軸を備えたニーダー(neader)のような反応機に、熱風を供給したり反応機を加熱して熱重合をして得られた含水ゲル状重合体は、反応機に備えられた攪拌軸の形態に応じて、反応機排出口に排出される含水ゲル状重合体は、数cm〜数mm形態であってもよい。具体的に、得られる含水ゲル状重合体の大きさは、注入されるモノマー組成物の濃度および注入速度などにより多様に示され得るが、通常、重量平均粒径が2〜50mmである含水ゲル状重合体が得られる。
また、前述のように移動可能なコンベヤーベルトを備えた反応機で光重合を行う場合、通常、得られる含水ゲル状重合体の形態は、ベルトの幅を有するシート状の含水ゲル状重合体であってもよい。この時、重合体シートの厚さは、注入される単量体組成物の濃度および注入速度により変わるか、通常、約0.5〜約5cmの厚さを有するシート状の重合体が得られるように単量体組成物を供給することが好ましい。シート状の重合体の厚さが過度に薄い程度に単量体組成物を供給する場合、生産効率が低くて好ましくなく、シート状の重合体の厚さが5cmを超える場合には、過度に厚い厚さによって、重合反応が厚さの全体にかけて均一に起こらないおそれがある。
この時、このような方法で得られた含水ゲル状重合体の通常の含水率は、約40〜約80重量%であってもよい。一方、本明細書全体で「含水率」とは、含水ゲル状重合体の全体重量に対して占める水分の含量で、含水ゲル状重合体の重量から乾燥状態の重合体の重量を引いた値を意味する。具体的には、赤外線加熱を通じて重合体の温度を上げて乾燥する過程で、重合体中の水分蒸発による重量減少分を測定して計算された値と定義する。この時、乾燥条件は、常温から約180℃まで温度を上昇させた後、180℃に維持する方式であり、総乾燥時間は温度上昇段階5分を含む20分と設定して、含水率を測定する。
次に、得られた含水ゲル状重合体を乾燥する段階を行う。
この時、必要に応じて前記乾燥段階の効率を高めるために、乾燥前に粗粉砕する段階をさらに経ることができる。
この時、用いられる紛砕機の構成に限定はないが、具体的に、垂直型切断機(Vertical pulverizer)、ターボカッター(Turbo cutter)、ターボグラインダー(Turbo grinder)、回転切断式紛砕機(Rotary cutter mill)、切断式紛砕機(Cutter mill)、円板紛砕機(Disc mill)、断片破砕機(Shred crusher)、破砕機(Crusher)、チョッパー(chopper)および円板式切断機(Disc cutter)からなる粉砕機器群より選択されるいずれか一つを含むことができるが、前述した例に限定されない。
この時、粉砕段階は、含水ゲル状重合体の粒径が約2〜約10mmになるように粉砕することができる。
粒径を2mm未満に粉砕するのは、含水ゲル状重合体の高い含水率のため技術的に容易でなく、また粉砕された粒子間に互いに凝集する現象が現れることもある。一方、粒径を10mm超過に粉砕する場合、後に行われる乾燥段階の効率増大効果が微小である。
前記のように粉砕されたり、あるいは粉砕段階を経なかった重合直後の含水ゲル状重合体に対して乾燥を行う。この時、前記乾燥段階の乾燥温度は、約150〜約250℃であってもよい。乾燥温度が150℃未満である場合、乾燥時間が過度に長くなり、最終形成される高吸水性樹脂の物性が低下するおそれがあり、乾燥温度が250℃を超える場合、過度に重合体表面だけが乾燥されて、後に行われる粉砕工程で微粉が発生することもあり、最終形成される高吸水性樹脂の物性が低下するおそれがある。したがって、前記乾燥は、 好ましくは、約150〜約200℃の温度で、より好ましくは、約160〜約180℃の温度で行われてもよい。
一方、乾燥時間の場合には、工程効率などを考慮して、約20〜約90分間行われてもよいが、これに限定されない。
前記乾燥段階の乾燥方法も含水ゲル状重合体の乾燥工程で通常用いられるものであれば、その構成の限定なしに選択して用いることができる。具体的には、熱風供給、赤外線照射、極超短波照射、または紫外線照射などの方法で乾燥段階を行うことができる。このような乾燥段階進行後の重合体の含水率は、約0.1〜約10重量%であってもよい。
次に、このような乾燥段階を経て得られた乾燥された重合体を粉砕する段階を行う。
粉砕段階後に得られる重合体粉末は、粒径が約150〜約850μmであってもよい。このような粒径に粉砕するために用いられる紛砕機は、具体的に、ピンミル(pin mill)、ハンマーミル(hammer mill)、スクリューミル(screw mill)、ロールミル(roll mill)、ディスクミル(disc mill)またはジョグミル(jog mill)などを用いることができるが、前述した例に本発明が限定されない。
そして、このような粉砕段階の以降に最終製品化される高吸水性樹脂粉末の物性を管理するために、粉砕後に得られる重合体粉末を粒径に応じて分級する別途の過程を経ることができる。好ましくは、粒径が約150〜約850μmである重合体を分級して、このような粒径を有する重合体粉末だけに対して表面架橋反応段階を経て製品化することができる。
次に、粉砕された重合体に表面架橋剤および水を含む表面架橋溶液を混合して表面架橋反応を行う。
表面架橋は、粒子内部の架橋結合密度と関連して高吸水性高分子粒子の表面付近の架橋結合密度を増加させる段階である。一般に、表面架橋剤は、高吸水性樹脂粒子の表面に塗布される。したがって、この反応は高吸水性樹脂粒子の表面上で起こり、これは粒子内部には実質的に影響を与えずに粒子の表面上における架橋結合性は改善させる。したがって、表面架橋結合された高吸水性樹脂粒子は、内部より表面付近でより高い架橋結合度を有する。
この時、前記表面架橋剤としては、重合体が有する官能基と反応可能な化合物であればその構成の限定がない。
好ましくは、生成される高吸水性樹脂の特性を向上させるために、前記表面架橋剤として多価アルコール化合物;エポキシ化合物;ポリアミン化合物;ハロエポキシ化合物;ハロエポキシ化合物の縮合産物;オキサゾリン化合物類;モノ−、ジ−またはポリオキサゾリジノン化合物;環状ウレア化合物;多価金属塩;およびアルキレンカーボネート化合物からなる群より選択される1種以上を用いることができる。
具体的に、多価アルコール化合物の例としては、モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−またはポリエチレングリコール、モノプロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、ジプロピレングリコール、2,3,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、ポリプロピレングリコール、グリセロール、ポリグリセロール、2−ブテン−1,4−ジオール、1,4−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、および1,2−シクロヘキサンジメタノールからなる群より選択される1種以上を用いることができる。
また、エポキシ化合物としては、エチレングリコールジグリシジルエーテルおよびグリシドールなどを用いることができ、ポリアミン化合物類としては、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、ポリエチレンイミンおよびポリアミドポリアミンからなる群より選択される1種以上を用いることができる。
そして、ハロエポキシ化合物としては、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリンおよびα−メチルエピクロロヒドリンを用いることができる。一方、モノ−、ジ−またはポリオキサゾリジノン化合物としては、例えば、2−オキサゾリジノンなどを用いることができる。
そして、アルキレンカーボネート化合物としては、エチレンカーボネートなどを用いることができる。これらをそれぞれ単独で用いることもでき、互いに組み合わせて用いることもできる。一方、表面架橋工程の効率を上げるために、これらの表面架橋剤の中で1種以上の多価アルコール化合物を含んで用いることが好ましく、より好ましくは、炭素数2〜10の多価アルコール化合物類を用いることができる。
前記添加される表面架橋剤の含量は、具体的に追加される表面架橋剤の種類や反応条件に応じて適切に選択され得るが、通常、重合体100重量部に対して、約0.001〜約5重量部、好ましくは約0.01〜約3重量部、より好ましくは、約0.05〜約2重量部を用いることができる。
表面架橋剤の含量が過度に少ない場合、表面架橋反応がほとんど起こらず、重合体100重量部に対して、5重量部を超える場合、過度な表面架橋反応の進行により吸収能力および物性の低下現象が発生するおそれがある。
前記表面架橋剤の混合時、追加的に水を共に混合して表面架橋溶液の形態に混合することができる。水を添加する場合、表面架橋剤が重合体に均一に分散される利点がある。この時、追加される水の含量は、表面架橋剤の均一な分散を誘導し、重合体粉末の凝集現象を防止すると同時に、架橋剤の表面浸透深さを最適化するための目的で重合体100重量部に対して、約1〜約10重量部の比率で添加することが好ましい。
また、前記表面架橋溶液は、追加的に金属塩、シリカなどの物質をさらに含むことができる。
前記表面架橋溶液を重合体に添加する方法に対してはその構成の限定はない。前記表面架橋溶液と重合体粉末を反応槽に入れて混合したり、重合体粉末に前記表面架橋溶液を噴射する方法、連続運転されるミキサーに重合体と前記表面架橋溶液を連続的に供給して混合する方法などを用いることができる。
前述のように水可溶成分は、重合時に用いる開始剤の含量、重合温度、架橋剤の含量、表面架橋工程条件などにより水可溶成分の全体含量および水可溶成分の分子量に大きな差を示すようになるが、本発明によれば、表面架橋工程時に温度を特定の範囲内に調節することによって、前述のような水可溶成分の分布を有する高吸水性樹脂を製造することができる。
本発明の高吸水性樹脂の製造方法によれば、前記表面架橋溶液を混合した重合体粒子に対して約180〜約200℃、好ましくは約180〜約190℃の温度に昇温して表面架橋反応を行う。反応温度が前記範囲内にある時、前述した水可溶成分の特性を有する高吸水性樹脂が得られる。
また、架橋反応時間は、約15〜約90分、好ましくは約20〜約80分間加熱させることによって表面架橋結合反応および乾燥が同時に行われ得る。架橋反応時間が15分未満と過度に短い場合、架橋反応が十分に行われないおそれがあり、架橋反応時間が90分を超える場合、過度な表面架橋反応によって、重合体粒子の損傷による物性低下が発生するおそれがある。
表面架橋反応のための昇温手段は特に限定されない。熱媒体を供給したり、熱源を直接供給して加熱することができる。この時、使用可能な熱媒体の種類としては、スチーム、熱風、熱油のような昇温した流体などを用いることができるが、本発明はこれに限定されず、また供給される熱媒体の温度は、熱媒体の手段、昇温速度および昇温目標温度を考慮して適切に選択することができる。一方、直接供給される熱源としては、電気を通じた加熱、ガスを通じた加熱方法があるが、本発明は前述した例に限定されない。
前述のような本発明の製造方法により製造された高吸水性樹脂は、前記高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後に測定した時、溶出された水可溶成分の含量が5%以下であり、GPCで測定した時、重量平均分子量が100,000〜300,000である水可溶成分の重量平均分子量(M)のログ値に対する分子量分布(dwt/d(log M))が0.9以下に得られる。
また本発明の製造方法により製造された高吸水性樹脂は、EDANA法WSP241.2に従って測定した保水能が約26g/g〜約37g/g、好ましくは約28g/g〜約35g/gであり、EDANA法WSP242.2の方法でより測定した加圧吸収能が約20g/g〜約26g/g、好ましくは約22g/g〜約25g/gで、優れた保水能および加圧吸収能を示す。
前記のように本発明の製造方法によれば、膨潤時にも優れた通液性を有し、保水能と加圧吸収能などの物性を低下させることなく高吸水性樹脂を製造することができる。
本発明を下記の実施例により詳細に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例により限定されない。
<実施例>
実施例1
アクリル酸(水溶性エチレン系不飽和単量体)100重量部、アクリル酸100重量部を基準に、potassium igacure 651(光重合開始剤)0.03重量部およびポリエチレングリコールジアクリレート(架橋剤)0.3重量部を含むモノマー組成物を準備した。前記モノマー組成物を10cmの幅、2mの長さを有し、50cm/minの速度で回転する回転式ベルト上に、500mL/min〜2,000mL/minの供給速度で供給した。
前記モノマー組成物の供給と同時に10mW/cm2の強さを有する紫外線を照射して、60秒間重合反応を進行した。重合反応の進行後、ミートチョッパー(meat chopper)方法により切断し、コンベクションオーブン(convection oven)を用いて160℃で5時間乾燥した。以降、粉砕、分級して粒径が150〜850μm範囲である重合体を得た。
前記重合体100重量部に対してエチレンカーボネート(ethylene carbonate)0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて190℃で40分間表面処理反応を行うことによって高吸水性樹脂を製造した。
実施例2
前記実施例1の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて200℃で40分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例1と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
実施例3
実施例1の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて180℃で80分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例1と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
実施例4
アクリル酸(水溶性エチレン系不飽和単量体)100重量部、アクリル酸100重量部を基準に、potassium igacure 651(光重合開始剤)0.03重量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(架橋剤)0.5重量部、および1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(架橋剤)0.1重量部を含むモノマー組成物を準備した。前記モノマー組成物を10cmの幅、2mの長さを有し、50cm/minの速度で回転する回転式ベルト上に、500mL/min〜2,000mL/minの供給速度で供給した。
前記モノマー組成物の供給と同時に10mW/cm2の強さを有する紫外線を照射して、60秒間重合反応を進行した。重合反応の進行後、ミートチョッパー方法により切断し、コンベクションオーブンを用いて160℃で5時間乾燥した。以降、粉砕、分級して粒径が150〜850μm範囲である重合体を得た。
前記重合体100重量部に対してエチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて190℃で40分間表面処理反応を行うことによって高吸水性樹脂を製造した。
実施例5
実施例4の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて200℃で40分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例4と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
実施例6
実施例4の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて180℃で80分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例4と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
比較例1
実施例1の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて210℃で20分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例1と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
参考例1
実施例1の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて175℃で90分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例1と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
比較例2
実施例4の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて210℃で20分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例4と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
参考例2
実施例4の重合体100重量部に対して、エチレンカーボネート0.4重量部、メタノール5重量部、水4重量部を混合してコンベクションオーブンを用いて175℃で90分間表面処理反応を行ったことを除いては、実施例4と同様な方法で高吸水性樹脂を製造した。
<実験例>
透過率、保水能および加圧吸収能の測定比較
透過率は、文献(Buchholz, F.L. and Graham, A.T., “Modern Superabsorbent Polymer Technology, ” John Wiley and Sons(1998), page 161)に記述された方法により0.9%塩水溶液を用いて0.3psi荷重下に測定した。
より具体的な測定方法について説明すると、実施例、参考例および比較例で製造された高吸水性樹脂(以下、サンプルという)の中で、300〜600μmの粒径を有する粒子0.2gを取って準備されたシリンダーに投入し、ここに50gの0.9%塩水溶液(saline solution)を投入し、30分間放置した。以降、0.3psi重量の錘を0.9%塩水溶液を吸収した高吸水性樹脂に載置して1分間放置した。以降、シリンダーの下に位置したストップコック(stopcock)を開けて0.9%塩水溶液がシリンダーに予め表示された上限線から下限線を通過する時間を測定した。すべての測定は、24±1℃の温度および50±10%の相対湿度下で実施した。
前記上限線から下限線を通過する時間をそれぞれのサンプルに対して、高吸水性樹脂の投入なしに測定して下記式1により透過率を計算した。
[式1]
透過率(sec)=時間(サンプル)−時間(高吸水性樹脂の投入なしに測定)
保水能測定は、EDANA法WSP241.2に従った。30〜50メッシュで分級したサンプル0.2gをティーバッグに入れて30分間0.9%塩水溶液に浸した後、250Gに設定された遠心分離機で3分間水を除去し、重量を測って高吸水性樹脂が保有している水の量を測定する方式で保水能を測定した。
加圧吸収能測定方法は、EDANA法WSP242.2に従った。具体的に、850〜150μmであるサンプル0.9gをEDANA法で規定するシリンダーに均一に分布した後、ピストンと錘で21g/cm2の圧力で加圧した後、0.9%塩水溶液を1時間吸収した量で加圧吸収能を計算した。
前記方法で測定した実施例、参考例および比較例の保水能、加圧吸収能、および透過率を下記表1に示した。
Figure 0006473162
水可溶成分の分析
実施例、参考例および比較例で製造された高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLで25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させ、溶出された溶液をフィルターペーパー(filter paper)を通過させた後、100μLを取ってGPC装置に注入して測定した。GPCは、Wyatt DAWN EOS、Wyatt Optila bDSP、Waters、Wyatt社の機器を使用し、カラムは、Ultrahydrogel Linear X2、溶媒としては、0.1MのNaNO3/0.02Mのリン酸緩衝液(phosphate buffer)を使用し、流速0.8mL/min、温度60℃の条件によりスタンダード(Standard)にポリアクリル酸(polyacrylic acid)が使用された。
分析結果は、log M(Mは、溶出された水可溶成分の分子量)に対するdwt/d(log M)で出力され、log M値をM値に換算して10万、20万、30万の分子量に対するdwt/d(log M)値を得た。
前記実施例、参考例および比較例の水可溶成分の測定結果を下記表2に示した。
Figure 0006473162

Claims (3)

  1. 水溶性エチレン系不飽和単量体を重合させたベース樹脂を表面架橋させた架橋重合体、および前記架橋重合体の製造過程で架橋されなかった高分子である水可溶成分を含む高吸水性樹脂であって、
    前記高吸水性樹脂1gを250mLの三角フラスコに入れた後、0.9%NaCl溶液200mLに25℃で500rpmで攪拌する条件により1時間膨潤(swelling)させた後に溶出された溶液で測定した水可溶成分に対して、重量平均分子量が100,000〜300,000である水可溶成分の重量平均分子量(M)のログ値に対する分子量分布(dwt/d(logM))が0.86以下であり、
    前記水可溶成分が高吸水性樹脂全体に対して5重量%以下で含まれる高吸水性樹脂であって、
    前記ベース樹脂は、アクリル酸、光重合開始剤、および炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アクリレートおよび炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アリルエーテルからなる群より選択される一つ以上の内部架橋剤を含むモノマー組成物に紫外線照射して重合させて得られた重合体であり、
    前記架橋重合体は、前記ベース樹脂100重量部に対して表面架橋剤としてアルキレンカーボネート0.05〜5重量部を混合して180〜200℃で40〜80分間表面処理を実施して得られた樹脂である
    高吸水性樹脂
  2. 前記高吸水性樹脂は、26〜37g/gの保水能、および20〜26g/gの加圧吸収能を有し、
    前記保水能は、EDANA法WSP241.2に従って測定したものであり、前記加圧吸収能は、EDANA法WSP242.2に従って測定したものである、請求項1に記載の高吸水性樹脂。
  3. アクリル酸、光重合開始剤、および炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アクリレートおよび炭素数2〜10のポリオールのポリ(メタ)アリルエーテルからなる群より選択される一つ以上の内部架橋剤を含むモノマー組成物に光重合を行って含水ゲル状重合体を形成する段階と、
    前記含水ゲル状重合体を乾燥する段階と、
    前記乾燥された重合体を粉砕する段階と、
    粉砕された重合体100重量部に対して表面架橋剤としてアルキレンカーボネート0.05〜5重量部を混合して180〜200℃で40分〜80分間加熱することによって表面架橋反応を行う段階と、
    を含む請求項1に記載の高吸水性樹脂の製造方法。
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