JP6820862B2 - 超吸収体粒子を凝集させる方法 - Google Patents

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Description

本発明は、超吸収体粒子を凝集させる方法に関し、この方法では、250μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を疎水性有機溶媒中に分散させ、分散させたポリマー粒子をモノマー水溶液と混合し、分散させたポリマー粒子に付与される水の合計量は、分散させたポリマー粒子を基準として少なくとも100質量%であり、そしてこのモノマー溶液を重合させる。
超吸収体粒子の製造は、研究論文「Modern Superabsorbent Polymer Technology」、F.L.BuchholzおよびA.T.Graham、Wiley−VCH、1998、69〜117頁に記載されている。超吸収体粒子は通常、溶液重合または懸濁重合によって製造される。
超吸収体は、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の水溶液吸収性製品として、また園芸農業における保水剤としても使用される。
吸水性ポリマーの特性を、架橋度により調整することができる。架橋度が上がるほど、ゲル強度が上がり、吸収量が下がる。
適用特性、例えば、おむつ中の膨潤したゲル床における浸透性と圧力下での吸収量を改善するためには、一般的に、超吸収体粒子を表面後架橋する。それによって、粒子表面の架橋度だけが上がり、このことによって、圧力下での吸収量と、遠心分離保持容量とを少なくとも部分的に切り離すことができる。
欧州特許出願公開第0807646号明細書(EP0807646A1)は、ポリマー粒子の存在下で懸濁重合をする方法を記載している。
国際公開第2005/092955号(WO2005/092955A1)は、超吸収体粒子を溶液重合によって製造する方法を記載している。超吸収体粒子を、表面後架橋の前またはその後に、水溶液を添加しながら凝集させることが可能であり、この方法では、超吸収体粒子の水含量が、1〜10質量%の範囲に維持される。
国際公開第2006/014031号(WO2006/014031A1)は、超吸収体粒子を懸濁重合によって製造する方法を記載している。超吸収体粒子を、表面後架橋の前またはその後に、水溶液を添加しながら凝集させることが可能であり、この方法では、超吸収体粒子の水含量が、1〜10質量%の範囲に維持される。
本発明の課題は、殊に、高い吸収量を有する超吸収体粒子を凝集させるための改善された方法を提供することであった。
本発明のさらなる課題は、殊に、他の方法から分離される小さ過ぎるポリマー粒子(「微粉」)を活用する、超吸収体粒子を凝集させるための改善された方法を提供することであった。
本課題は、以下の方法によって解決される:
a)少なくとも部分的に中和されていてよい、少なくとも1種のエチレン性不飽和の酸基含有モノマー、
b)任意で、1種または複数の架橋剤、
c)少なくとも1種の開始剤、
d)任意で、1種または複数の、a)に挙げ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)任意で、1種または複数の水溶性ポリマー
を含有するモノマー水溶液1を重合させ、得られるポリマー粒子を任意で乾燥させ、かつ/または粉砕する、超吸収体粒子を凝集させる方法において、250μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を分離し、分離したポリマー粒子を疎水性有機溶媒中に分散させ、分散させたポリマー粒子を、
a)少なくとも部分的に中和されていてよい、少なくとも1種のエチレン性不飽和の酸基含有モノマー、
b)任意で、1種または複数の架橋剤、
c)少なくとも1種の開始剤、
d)任意で、1種または複数の、a)に挙げ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)任意で、1種または複数の水溶性ポリマー
を含有するモノマー水溶液2と混合し、モノマー溶液1およびモノマー溶液2は同じであっても、または異なっていてもよく、分散させたポリマー粒子に付与される水の合計量が、分散させたポリマー粒子を基準として少なくとも100質量%であり、そしてモノマー溶液2を重合させることを特徴とする前記方法。
好適には200μmまたはそれ未満、特に好ましくは150μmまたはそれ未満、極めて特に好ましくは120μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を分離する。粒径を、相応するメッシュ幅を有する篩を用いて分離することができる。よって、xμmのメッシュ幅を有する篩を通過するポリマー粒子は、xμmまたはそれ未満の粒径を有する。
ポリマー粒子を、250μmまたはそれ未満、好適には200μmまたはそれ未満、特に好ましくは150μmまたはそれ未満、極めて特に好ましくは120μmまたはそれ未満のメッシュ幅を有する篩を用いて分離することができる。
分散させたポリマー粒子に付与される水の合計量は、それぞれ、分散させたポリマー粒子を基準として、好適には少なくとも150質量%、特に好ましくは少なくとも175質量%、極めて特に好ましくは少なくとも200質量%である。
水は、もっぱらモノマー溶液2と共に添加され得る。しかしながら、モノマー溶液2だけでなく、さらなる水溶液または水を使用することも可能である。これらの溶液は、同時にまたは順次、供給され得る。例えば、分散させたポリマー粒子を、水を添加しながら予め膨張させて、引き続き、モノマー溶液2と混合することができる。
モノマー溶液2と共に付与されるモノマーa)の量は、分散させたポリマー粒子の量を実質的に上回らないことが望ましい。そうでなければ、凝集体が形成されない恐れがある。モノマー溶液2と共に付与されるモノマーa)の量は、それぞれ、分散させたポリマー粒子の量を基準として、好適には1〜150質量%、特に好ましくは2〜100質量%、極めて特に好ましくは5〜80質量%である。
本発明は、モノマー溶液2と共に付与される水の量が凝集体の遠心分離保持容量(CRC)に著しい影響を与えるという知見に基づく。
以下で超吸収体粒子の製造を説明する。
モノマーa)は、好適には水溶性であり、つまり、23℃での水における溶解度が、一般的には水100gあたり少なくとも1g、好適には水100gあたり少なくとも5g、特に好ましくは水100gあたり少なくとも25g、極めて特に好ましくは水100gあたり少なくとも35gである。
適切なモノマーa)は、例えば、エチレン性不飽和カルボン酸、例えばアクリル酸、メタクリル酸、およびイタコン酸である。特に好ましいモノマーは、アクリル酸およびメタクリル酸である。アクリル酸が極めて特に好ましい。
さらなる適切なモノマーa)は、例えば、エチレン性不飽和スルホン酸、例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、重合に対して重大な影響を及ぼす可能性がある。よって使用される原料は、できるだけ高い純度を有することが望ましい。よって、モノマーa)を別途精製することがしばしば有利である。適切な精製方法は、例えば、国際公開第2002/055469号(WO2002/055469A1)、国際公開第2003/078378号(WO2003/078378A1)、および国際公開第2004/035514号(WO2004/035514A1)に記載されている。適切なモノマーa)は、例えば、国際公開第2004/035514号(WO2004/035514A1)に従って精製されたアクリル酸であり、これは、99.8460質量%のアクリル酸、0.0950質量%の酢酸、0.0332質量%の水、0.0203質量%のプロピオン酸、0.0001質量%のフルフラール、0.0001質量%の無水マレイン酸、0.0003質量%のジアクリル酸、および0.0050質量%のヒドロキノンモノメチルエーテルを含む。
モノマーa)の合計量に対するアクリル酸および/またはその塩の割合は、好適には少なくとも50mol%、特に好ましくは少なくとも90mol%、極めて特に好ましくは少なくとも95mol%である。
モノマーa)の酸基は、部分的に中和されていてよい。中和は、モノマーの段階で実施される。これは通常、中和剤を、水溶液としてまたは好ましくは固体として混合することで行われる。中和度は、好適には25〜95mol%、特に好ましくは30〜80mol%、極めて特に好ましくは40〜75mol%であり、ここで一般的な中和剤、好適には、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、アンモニウム塩も使用することができる。ナトリウムおよびカリウムがアルカリ金属として特に好ましいが、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極めて特に好ましい。
モノマーa)は通常、重合防止剤、好適にはヒドロキノン半エーテル(Hydrochinonhalbether)を貯蔵安定剤として含有する。
モノマー溶液は、それぞれ中和されていないモノマーa)を基準として、好適には最大250質量ppm、好ましくは最大130質量ppm、特に好ましくは最大70質量ppm、好ましくは少なくとも10質量ppm、特に好ましくは少なくとも30質量ppm、殊におよそ50質量ppmのヒドロキノン半エーテルを含有する。例えばモノマー溶液を、適切な含有量のヒドロキノン半エーテルと共に、エチレン性不飽和の酸基含有モノマーを使用することによって調製することができる。
好ましい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、架橋に適した少なくとも2つの基を有する化合物である。そのような基は、例えばポリマー鎖にラジカル重合で導入され得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つの酸基と配位結合を形成することができる多価金属塩も架橋剤b)として適している。
架橋剤b)は、好適には、ポリマー網目構造にラジカル重合で導入され得る少なくとも2つの重合性基を有する化合物である。適切な架橋剤b)は、例えば、メチレンビスアクリルアミド、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、欧州特許出願公開第0530438号明細書(EP0530438A1)に記載されているテトラアリルオキシエタン、欧州特許出願公開第0547847号明細書(EP0547847A1)、欧州特許出願公開第0559476号明細書(EP0559476A1)、欧州特許出願公開第0632068号明細書(EP0632068A1)、国際公開第93/21237号(WO93/21237A1)、国際公開第2003/104299号(WO2003/104299A1)、国際公開第2003/104300号(WO2003/104300A1)、国際公開第2003/104301号(WO2003/104301A1)、および独国特許出願公開第10331450号明細書(DE10331450A1)に記載されているジアクリレートおよびトリアクリレート、独国特許出願公開第10331456号明細書(DE10331456A1)および独国特許出願公開第10355401号明細書(DE10355401A1)に記載されているアクリレート基の他にさらなるエチレン性不飽和基を含有する混合アクリレート、または独国特許出願公開第19543368号明細書(DE19543368A1)、独国特許出願公開第19646484号明細書(DE19646484A1)、国際公開第90/15830号(WO90/15830A1)、および国際公開第2002/032962号(WO2002/032962A2)に記載されている架橋剤混合物である。
好ましい架橋剤b)は、ペンタエリスリチルトリアリルエーテル、テトラアリルオキシエタン、メチレンビスメタクリルアミド、15回エトキシ化された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。
極めて特に好ましい架橋剤b)は、メチレンビスアクリルアミド、ならびにアクリル酸またはメタクリル酸でエステル化されてジアクリレートまたはトリアクリレートになる、複数回ポリエトキシ化および/またはポリプロポキシ化されたグリセリンであり、これは、例えば国際公開第2003/104301号(WO2003/104301A1)に記載されている。メチレンビスアクリルアミド、3〜10回エトキシ化された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が特に有利である。メチレンビスアクリルアミド、1〜5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のジアクリレートまたはトリアクリレートが極めて特に好ましい。メチレンビスアクリルアミド、3〜5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のトリアクリレート、殊にメチレンビスアクリルアミド、ならびに3回エトキシ化されたグリセリンのトリアクリレートが最も好ましい。
モノマー溶液1における架橋剤b)の量は、それぞれ中和されていないモノマーa)を基準として、好適には0.0001〜0.5質量%、特に好ましくは0.001〜0.2質量%、極めて特に好ましくは0.01〜0.05質量%である。架橋剤含有量が上昇するほど、遠心分離保持容量(CRC)が減少し、21.0g/cmの圧力下での吸収量は最大値を通り過ぎてしまう。
モノマー溶液2における架橋剤b)の量は、それぞれ1molのモノマーa)を基準として、好適には0.01〜0.50mmol、特に好ましくは0.02〜0.25mmol、極めて特に好ましくは0.05〜0.15mmolである。架橋剤含有量が減少するほど、遠心分離保持容量(CRC)および膨張速度(FSR)が上昇する。
開始剤c)として、重合条件下でラジカルを生じるあらゆる化合物、例えば熱開始剤、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、ペルオキソ二硫酸カリウムもしく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、ペルオキソ二硫酸カリウムもしくはペルオキソ二硫酸ナトリウム/重亜硫酸ナトリウム、および過酸化水素/重亜硫酸ナトリウムである。好適には、熱開始剤とレドックス開始剤との混合物、例えばペルオキソ二硫酸カリウムもしくは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。しかしながら、還元成分として、好適には、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、および重亜硫酸ナトリウムの混合物を使用する。そのような混合物は、Brueggolite(登録商標)FF6およびBrueggolite(登録商標)FF7(Brueggemann Chemicals;Heilbronn;ドイツ)として入手可能である。
適切な熱開始剤は、殊に、アゾ開始剤、例えば2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジヒドロクロリドおよび2,2’−アゾビス[2−(5−メチル−2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジヒドロクロリド、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)ジヒドロクロリド、4,4’−アゾビス(4−シアノペンタン酸)、4,4’およびそのナトリウム塩、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]、ならびに2,2’−アゾビス(イミノ−1−ピロリジノ−2−エチルプロパン)ジヒドロクロリドである。
適切な光開始剤は、例えば、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオフェノン、および1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)−フェニル]−2−ヒドロキシ−2−メチル−1−プロパン−1−オンである。
エチレン性不飽和の酸基含有モノマーa)と共重合可能なエチレン性不飽和モノマーd)は、例えば、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)としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、澱粉、澱粉誘導体、変性セルロース、例えばメチルセルロースもしく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を使用することができ、好適には、澱粉、澱粉誘導体、および変性セルロースを使用することができる。
任意で、モノマー溶液またはその出発物質に、金属イオン、例えば鉄をマスキングするための1種または複数のキレート剤を安定化の目的で添加することができる。適切なキレート剤は、例えば、クエン酸アルカリ金属塩、クエン酸、酒石酸アルカリ金属塩、三リン酸五ナトリウム、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ならびにTrilon(登録商標)という名称で知られている全てのキレート剤、例えばTrilon(登録商標)C(ペンタナトリウムジエチレントリアミン五酢酸)、Trilon(登録商標)D(トリナトリウム−(ヒドロキシエチル)エチレンジアミン三酢酸)、およびTrilon(登録商標)M(メチルグリシン二酢酸)である。
モノマー溶液1の重合は、何ら制限されない。あらゆる公知の重合方法、例えば溶液重合、逆懸濁重合および液滴重合を使用することができる。
溶液重合では、モノマー溶液1を、例えば混練式反応器またはベルト式反応器内で重合させる。混練式反応器内では、モノマー溶液1の重合時に生成するポリマーゲルを、国際公開第2001/038402号(WO2001/038402A1)に記載されているように、例えば二重反転撹拌軸によって連続的に粉砕する。ベルト式反応器内での重合は、例えば独国特許出願公開第3825366号明細書(DE3825366A1)および米国特許第6,241,928号明細書(US6,241,928)に記載されている。ベルト式反応器内での重合では、さらなる方法工程において、例えば押出機または混練機内で粉砕される必要のあるポリマーゲルが生成する。
引き続き、溶液重合によって得られるポリマーゲルを乾燥させ、粉砕し、分級する。その際、小さ過ぎるポリマー粒子(「微粉」)を分離する。そのために、250μmまたはそれ未満、好適には200μmまたはそれ未満、特に好ましくは150μmまたはそれ未満、極めて特に好ましくは120μmまたはそれ未満のメッシュ幅を有する篩を使用することができる。
逆懸濁重合では、モノマー溶液1を疎水性溶媒中に懸濁させる。引き続き、得られるポリマー粒子を共沸により脱水し、濾過によって溶媒から分離し、乾燥させる。
逆懸濁重合でも同様に、小さ過ぎるポリマー粒子(「微粉」)を分離することができる。
液滴重合では、モノマー溶液1の液滴を周囲の気相において重合させる。その際、重合および乾燥の方法工程を、国際公開第2008/040715号(WO2008/040715A2)、国際公開第2008/052971号(WO2008/052971A1)および国際公開第2011/026876号(WO2011/026876A1)に記載されているようにまとめることができる。小さ過ぎるポリマー粒子(「微粉」)は、気体流に飛沫同伴するため、そこから除去される必要がある。そのために、フィルターまたはサイクロンを使用することができる。
250μmまたはそれ未満、好適には200μmまたはそれ未満、特に好ましくは150μmまたはそれ未満、極めて特に好ましくは120μmまたはそれ未満の粒径を有する、モノマー溶液1の重合によって得られる分離されたポリマー粒子を凝集させる。
凝集のために、ポリマー粒子を疎水性溶媒中で分散させる。
疎水性溶媒としては、懸濁重合での使用に際して当業者に公知のあらゆる溶媒が使用可能である。好ましくは、脂肪族炭化水素、例えばn−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン、シクロヘキサン、またはこれらの混合物を使用する。疎水性溶媒は、5g/100g未満、好適には1g/100g未満、特に好ましくは0.5g/100g未満の、23℃の水における溶解度を有する。
疎水性溶媒は、好適には50〜150℃、特に好ましくは60〜120℃、極めて特に好ましくは70〜90℃の範囲で沸騰する。
疎水性溶媒とポリマー粒子との比率は、0.2〜3.0、好ましくは0.3〜2.7、極めて好ましくは0.4〜2.4である。
ポリマー粒子を疎水性溶媒中に分散させるために、または生じる超吸収体粒子を分散させるために、分散助剤を添加することができる。ここで分散助剤は、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤もしくは両性界面活性剤、または天然ポリマー、半合成ポリマーもしくは合成ポリマーであってよい。
アニオン性界面活性剤は、例えば、ポリオキシエチレンドデシルエーテル硫酸ナトリウムおよびドデシルエーテル硫酸ナトリウムである。カチオン性界面活性剤は、例えば、トリメチルステアリルアンモニウムクロリドである。両性界面活性剤は、例えば、カルボキシメチルジメチルセチルアンモニウムである。非イオン性界面活性剤は、例えば、スクロース脂肪酸エステル、例えばモノステアリン酸スクロースおよびジラウリン酸スクロース、ソルビタンエステル、例えばモノステアリン酸ソルビタン、トレハロース脂肪酸エステル、例えばトレハロースステアリン酸エステル、ソルビタンエステル系ポリオキシアルキレン化合物、例えばモノステアリン酸ポリオキシエチレンソルビタンである。
適切なポリマーは、例えば、セルロース誘導体、例えばヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロースおよびカルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ビニルピロリドンのコポリマー、ゼラチン、アラビアガム、キサンタン、カゼイン、ポリグリセリン、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ポリエチレングリコール、変性ポリエチレングリコール、例えばステアリン酸ポリエチレングリコールまたはステアリン酸ポリエチレングリコールステアリルエーテル、ポリビニルアルコール、部分的に加水分解されたポリビニルアセテート、ならびに、変性ポリエチレン、例えばマレイン酸で変性されたポリエチレンである。
無機粒子も分散助剤として使用することができる。これらは、いわゆるピッカリング系と呼ばれている。そのようなピッカリング系は、固体粒子自体から、またはさらに、水中における粒子の分散性または疎水性溶媒による粒子の濡れ性を改善する補助物質から構成されていてもよい。作用機構およびその使用は、国際公開第99/24525号(WO99/24525A1)および欧州特許出願公開第1321182号明細書(EP1321182A1)に記載されている。
無機固体粒子は、金属塩、例えばカルシウム、マグネシウム、鉄、亜鉛、ニッケル、チタン、アルミニウム、ケイ素、バリウムおよびマンガンの塩、酸化物および水酸化物であってよい。水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化マグネシウム、シュウ酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、硫酸バリウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、および硫化亜鉛を挙げることができる。ケイ酸塩、ベントナイト、ヒドロキシアパタイト、およびハイドロタルサイトも同様に挙げられる。SiO系のケイ酸、ピロリン酸マグネシウム、およびリン酸三カルシウムが特に好ましい。
適切なSiO系分散助剤は微粉シリカである。これらは、微細な固体粒子として水中に分散させることができる。いわゆるシリカのコロイド分散体を水中で使用することも可能である。そのようなコロイド分散体は、シリカのアルカリ性水性混合物である。アルカリのpH範囲において、粒子は膨潤し、水中で安定である。好ましいシリカのコロイド分散体は、pH9.3で、20〜90m/gの範囲にある比表面積を有する。
さらに、分散助剤の如何なる所望の混合物も使用することができる。
分散助剤を通常、疎水性溶媒中に溶解または分散させる。分散助剤を、モノマー溶液を基準として、0.01〜10質量%、好ましくは0.2〜5質量%、特に好ましくは0.5〜2質量%の量で使用する。
凝集の実施は、当業者に公知であり、何ら制限されない。
分散させたポリマー粒子にモノマー溶液2を計量供給し、再び重合させる。ポリマー粒子は、第二の重合において初めて凝集する。モノマー溶液1およびモノマー溶液2は、その組成に関して、同一であっても、または異なっていてもよい。
すでに形成されている凝集体にそれぞれさらなるモノマーを添加することによって、凝集体をさらに凝集させて、より大きな凝集体にすることができる。
モノマーの計量供給の間に、冷却工程があってよい。その際、分散助剤の一部を省略することができる。
有利には、複数段階の凝集のために、複数の撹拌反応器を直列式に接続する。さらなる撹拌反応器内での後反応によって、モノマー転化率を向上させ、逆混合を低減することができる。
凝集は、好適には減圧下、例えば800mbarの圧力で実施される。圧力によって、反応混合物の沸点を所望の反応温度に調整することができる。
本発明の好ましい実施形態では、ポリマー分散体中の超吸収体粒子を共沸により脱水し、ポリマー分散体から濾過し、濾過された超吸収体粒子を、付着している残りの疎水性溶媒を除去するために乾燥させる。
得られる超吸収体粒子を、特性のさらなる改善のために、熱によって表面後架橋することができる。熱による表面後架橋を、ポリマー分散体中で、またはポリマー分散体から分離させ、かつ乾燥させた超吸収体粒子を用いて実施することができる。
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によって共有結合を形成することができる基を含む化合物である。適切な化合物は、例えば、欧州特許出願公開第0083022号明細書(EP0083022A2)、欧州特許出願公開第0543303号明細書(EP0543303A1)、および欧州特許出願公開第0937736号明細書(EP0937736A2)に記載されている多官能性アミン、多官能性アミドアミン、多官能性エポキシド、独国特許出願公開第3314019号明細書(DE3314019A1)、独国特許出願公開第3523617号明細書(DE3523617A1)、および欧州特許出願公開第0450922号明細書(EP0450922A2)に記載されている二官能性または多官能性アルコール、または独国特許出願公開第10204938号明細書(DE10204938A1)、および米国特許第6,239,230号明細書(US6,239,230)に記載されているβ−ヒドロキシアルキルアミドである。
さらに、独国特許発明第4020780号明細書(DE4020780C1)にはアルキレンカーボネートが、独国特許出願公開第19807502号明細書(DE19807502A1)には2−オキサゾリジノンおよびその誘導体、例えば2−ヒドロキシエチル−2−オキサゾリジノンが、独国特許発明第19807992号明細書(DE19807992C1)にはビス−2−オキサゾリジノンおよびポリ−2−オキサゾリジノンが、独国特許出願公開第19854573号明細書(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が、独国特許出願公開第19854574号明細書(DE19854574A1)にはN−アシル−2−オキサゾリジノンが、独国特許出願公開第10204937号明細書(DE10204937A1)には環状尿素が、独国特許出願公開第10334584号明細書(DE10334584A1)には二環式アミドアセタールが、欧州特許出願公開第1199327号明細書(EP1199327A2)にはオキセタンおよび環状尿素が、ならびに国際公開第2003/031482号(WO2003/031482A1)にはモルホリン−2,3−ジオンおよびその誘導体が、適切な表面後架橋剤として記載されている。
さらに、独国特許出願公開第3713601号明細書(DE3713601A1)に記載されているさらなる重合可能なエチレン性不飽和基を含有する表面後架橋剤を使用することもできる。
さらに、適切な表面後架橋剤の任意の混合物も使用することができる。
好ましい表面後架橋剤は、アルキレンカーボネート、2−オキサゾリジノン、ビス−2−オキサゾリジノン、ポリ−2−オキサゾリジノン、2−オキソテトラヒドロ−1,3−オキサジン、N−アシル−2−オキサゾリジノン、環状尿素、二環式アミドアセタール、オキセタン、ビスオキセタン、およびモルホリン−2,3−ジオンである。
特に好ましい表面後架橋剤は、エチレンカーボネート(1,3−ジオキソラン−2−オン)、トリメチレンカーボネート(1,3−ジオキサン−2−オン)、3−メチル−3−オキセタンメタノール、2−ヒドロキシエチル−2−オキサゾリジノン、2−オキサゾリジノン、およびメチル−2−オキサゾリジノンである。
エチレンカーボネートが極めて特に好ましい。
表面後架橋剤の量は、それぞれポリマー粒子を基準として、好適には0.1〜10質量%、特に好ましくは0.5〜7.5質量%、極めて特に好ましくは1〜5質量%である。
表面後架橋剤は、一般的には、水溶液として使用される。溶媒の量はそれぞれ、ポリマー粒子を基準として、好適には0.001〜8質量%、特に好ましくは2〜7質量%、極めて特に好ましくは3〜6質量%、殊に4〜5質量%である。非水性溶媒の含有量または全溶媒量によって、ポリマー粒子への表面後架橋剤の侵入深さを調整することができる。
水だけが溶媒として使用される場合、有利には界面活性剤を添加する。それによって濡れ特性が改善され、塊になる傾向が低減される。しかしながら好適には、溶媒混合物、例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、ここでこの混合質量比は、好適には10:90〜60:40である。
本発明の好ましい実施形態では、熱による表面後架橋の前、その間、またはその後に、表面後架橋剤に加えて、カチオン、殊に多価カチオンが粒子表面上に付与される。
本発明による方法で使用可能な多価カチオンは、例えば、二価カチオン、例えば亜鉛、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、三価カチオン、例えばアルミニウム、鉄、クロム、希土類、およびマンガンのカチオン、四価カチオン、例えばチタンおよびジルコニウムのカチオンである。対イオンとしては、水酸化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、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、およびカルボン酸イオン、例えば酢酸イオン、クエン酸イオン、および乳酸イオンがあり得る。様々な対イオンを有する塩、例えば塩基性アルミニウム塩、例えばアルミニウムモノアセテートまたはアルミニウムモノラクテートもあり得る。硫酸アルミニウム、アルミニウムモノアセテート、および乳酸アルミニウムが好ましい。金属塩以外には、ポリアミンも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、例えば、それぞれポリマー粒子を基準として、0.001〜1.5質量%、好適には0.005〜1質量%、特に好ましくは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が、乾燥したポリマー粒子上に噴霧されるように実施される。この噴霧に引き続き、表面後架橋剤で被覆されたポリマー粒子を、熱により表面後架橋する。
表面後架橋剤の溶液の噴霧は、好適には、可動式の混合器具を有するミキサー、例えばスクリューミキサー、ディスクミキサー、およびパドルミキサー内で実施される。水平型ミキサー、例えばパドルミキサーが特に好ましく、垂直型ミキサーが極めて特に好ましい。水平型ミキサーと垂直型ミキサーは、混合軸の配置により区別され、すなわち水平型ミキサーは、水平に配置された混合軸を有し、垂直型ミキサーは、垂直に配置された混合軸を有する。適当な混合装置は、例えば、水平型プルークシャル(Pflugschar)(登録商標)ミキサー(Loedige Maschinenbau GmbH製;Paderborn;ドイツ)、フリーコ−ナウタ連続式ミキサー(Hosokawa Micron BV;Doetinchem;オランダ)、プロセッサル・ミックスミルミキサー(Processall Mixmill Mixer)(Processall Incorporated;Cincinnati;米国)、およびシュギ・フレキソミックス(Schugi Flexomix)(登録商標)(Hosokawa Micron BV;Doetinchem;オランダ)である。しかしながら、表面後架橋剤溶液を流動床内で噴霧することも可能である。
熱による表面後架橋は、好適には、接触式乾燥機、特に好ましくはパドルドライヤー、極めて特に好ましくはディスクドライヤー内で実施される。適切な乾燥機は例えば、ホソカワ・ビーペックス(Hosokawa Bepex)(登録商標)水平型パドルドライヤー(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten;ドイツ)、ホソカワ・ビーペックス(登録商標)ディスクドライヤー(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten;ドイツ)、ホロ・フライト(Holo−Flite)(登録商標)ドライヤー(Metso Minerals Industries Inc.;Danville;米国)、およびナラ・パドルドライヤー(Nara Paddle Dryer)(NARA Maschinery Europe;Frechen;ドイツ)である。さらに、流動層乾燥機を使用することもできる。
熱による表面後架橋は、ミキサー自体の中で、ジャケットの加熱または熱風の吹込みによって行うことができる。同様に、下流接続された乾燥機、例えば棚式乾燥機、回転式管状炉または加熱可能なスクリューが適している。特に有利には、流動層乾燥機内で混合し、熱により乾燥表面後架橋させる。
熱による表面後架橋については、なるべく完全な溶媒の除去を保証するために、表面後架橋を減圧下で、または乾燥ガス、例えば乾燥した空気および窒素を使用しながら実施することが有利であり得る。
引き続き、表面後架橋させたポリマー粒子を分級し、ここで、小さ過ぎるおよび/または大き過ぎるポリマー粒子を分離し、本方法に返送する。
表面後架橋は、ポリマー分散体中でも実施され得る。そのために、表面後架橋剤の溶液をポリマー分散体に添加する。ここで、例えば、所望の温度未満の1013mbarでの沸点を有する疎水性有機溶媒を熱による表面後架橋のために使用して、熱による表面後架橋を加圧下で実施することが有利であってよい。ポリマー分散体中での熱による表面後架橋後、ポリマー分散体中の超吸収体粒子を、共沸により脱水し、ポリマー分散体から分離し、分離された超吸収体粒子を、付着している残りの疎水性溶媒を除去するために乾燥させる。
好ましい表面後架橋温度は、100〜220℃の範囲、好適には105〜210℃の範囲、特に好ましくは110〜205℃の範囲、極めて特に好ましくは120〜200℃の範囲にある。この温度における好ましい滞留時間は、好適には少なくとも10分、特に好ましくは少なくとも20分、極めて特に好ましくは少なくとも30分、通常は最大120分である。
本発明のさらなる好ましい実施形態では、熱による表面後架橋の前、その間、またはその後に、さらに親水化剤、例えば糖アルコール、例えばソルビトール、マンニトールおよびキシリトール、水溶性ポリマーまたはコポリマー、例えばセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびポリアクリルアミドが付与される。
本発明の好ましい実施形態では、超吸収体粒子を、接触式乾燥機内で熱により表面後架橋させた後に冷却する。冷却は、好適には接触式冷却器、特に好ましくはパドル式冷却器、極めて特に好ましくはディスク式冷却器内で実施される。適切な冷却器は、例えば、ホソカワ・ビーペックス(登録商標)水平型パドルクーラー(Paddle Cooler)(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten;ドイツ)、ホソカワ・ビーペックス(登録商標)ディスククーラー(Disc Cooler)(Hosokawa Micron GmbH;Leingarten;ドイツ)、ホロ・フライト(登録商標)クーラー(Metso Minerals Industries Inc.;Danville;米国)、およびナラ・パドルクーラー(Nara Paddle Cooler)(NARA Machinery Europe;Frechen;ドイツ)である。さらに、流動層冷却器も使用することができる。
冷却器内で、超吸収体粒子を、20〜150℃、好適には30〜120℃、特に好ましくは40〜100℃、極めて特に好ましくは50〜80℃に冷却する。
接触式乾燥機内で熱により表面後架橋させたポリマー粒子を、特性のさらなる改善のために、被覆または後湿潤することができる。
後湿潤は、好適には30〜80℃、特に好ましくは35〜70℃、極めて特に好ましくは40〜60℃で実施される。温度があまりに低い場合、超吸収体粒子は塊になる傾向があり、温度が比較的高い場合、すでに著しく水が蒸発する。後湿潤に使用される水量は、好適には1〜10質量%、特に好ましくは2〜8質量%、極めて特に好ましくは3〜5質量%である。後湿潤によって、ポリマー粒子の機械的安定性が向上し、その静電気帯電傾向が低減される。
膨潤速度および浸透性(SFC)の改善に適した被覆は、例えば無機不活性物質、例えば非水溶性の金属塩、有機ポリマー、カチオン性ポリマー、および二価または多価の金属カチオンである。粉塵を結合させるために適した被覆は、例えばポリオールである。ポリマー粒子の不所望な凝塊化傾向に抗する適切な被覆は、例えば、ヒュームドシリカ、例えばAerosil(登録商標)200、および界面活性剤、例えばSpan(登録商標)20およびPlantacare818UP、ならびに界面活性剤混合物である。
超吸収体粒子を、以下に記載される試験法により試験する。
手法:
特に記載のない限り、23±2℃の周囲温度、50±10%の相対湿度で測定するものとする。吸水性ポリマーを、測定前に十分に混合する。
含水量
超吸収体粒子の含水量を、EDANAにより推奨される試験法No.WSP230.3(11)「Mass Loss Upon Heating」に従って決定する。
遠心分離保持容量(Centrifuge Retention Capacity)
遠心分離保持容量(CRC)を、EDANAにより推奨される試験法No.WSP241.3(11)「Fluid Retention Capacity in Saline,After Centrifugation」に従って決定する。
膨潤速度(Free Swell Rate)
膨潤速度(FSR)を決定するために、1.00g(=W1)の吸水性ポリマー粒子を25mlビーカーに秤量して入れ、ビーカーの底部に均一に分配する。そして、0.9質量%の食塩水20mlをディスペンサにより第2のビーカー中に計量供給し、このビーカーの内容物を第1のビーカーに迅速に追加し、ストップウォッチで計時を開始する。食塩水の最後の液滴が吸収されたら(このことは、液体表面における反射が消滅することで認識される)、ストップウォッチを止める。第2のビーカーから流し込まれ、第1のビーカー中のポリマーによって吸収された正確な液体量を、第2のビーカーを再計量することによって正確に決定した(=W2)。ストップウォッチで測定された、吸収に必要とされる時間間隔をtとして表す。表面上における最後の液滴の消滅を、時点tとして決定する。
そこから、膨潤速度(FSR)が以下のように算出される:
Figure 0006820862
しかしながら、吸水性ポリマー粒子の含水量が3質量%超である場合、質量(W1)を、この含水量分だけ修正する必要がある。
粒径分布
平均粒径および粒径分布(σζ)幅を欧州特許第0349240号明細書(EP0349240B1)と同様に決定し、ここで100μm、200μm、300μm、400μm、450μm、500μm、600μm、710μm、800μm、900μm、1000μm、1180μm、1400μm、1600μm、1700μm、2000μmおよび4000μmのメッシュ幅を有する篩を使用した。
粒径分布が狭いほど、粒径分布の値σζは低くなる。
平均球形度(mSPHT)
平均球形度(mSPHT)を、PartAn(登録商標)3001L粒子分析器(Microtrac Europe GmbH;DE)を用いて決定する。
分析する試料を漏斗に充填する。コンピューター制御された測定システムによって計量供給装置が始動し、連続的な濃度管理された粒子流がもたらされる。この粒子は、個別に測定シャフトを通って落下し、光源と高解像度カメラとの間に高コントラストな影像を作り出す。この光源は、カメラによって作動し、非常に短い露光時間を理由として、各粒子を実時間で多面的に評価するのに申し分のない画像情報を作り出す。
3D法において各粒子を多面的に分析し、そうすることで、この方法は、長さ、幅、厚さ、面積および円周について絶対的な結果を与える。粒子に覆われている画素数によって、サイズおよび形状を計算する。また、そこから平均球形度(mSPHT)がより正確に決定される。
実施例1
プロペラ式撹拌機および還流冷却器を備える2Lのセパラブル容器(Planschliffgefaess)に、シクロヘキサン896.00gおよびエチルセルロース6.00gを予め装入し、撹拌および窒素導入下で75℃に加熱した。
その後、アクリル酸150.00g(2.082mol)、50質量%の水酸化ナトリウム水溶液129.00g(1.613mol)、水136.80g、Ν,Ν‘−メチレンビスアクリルアミド(MBA)0.0375g(0.243mmol)およびペルオキソ二硫酸カリウム0.50g(1.850mmol)から調製されるモノマー溶液1を供給容器に満たし、空気でパージした。モノマー溶液1を、60分以内に450回転/minの攪拌機回転数で滴加した。滴加の直前に、モノマー溶液1を窒素で不活性化させた。
供給終了後、75℃でさらに60分撹拌した。引き続き、還流冷却器を水分離器と交換し、水を分離した。
本発明の懸濁液を60℃に冷却し、得られたポリマー粒子を、ペーパーフィルターを有するブフナー漏斗を介して吸引した。45℃で、空気循環式乾燥キャビネット内にて、場合によっては真空乾燥キャビネット内にて、800mbarで、15質量%未満の残留含水量になるまでさらに乾燥を行った。
得られたポリマー粒子は、40.9g/gの遠心分離保持容量(CRC)、0.09g/gsの膨張速度(FSR)および2.9質量%の含水量を有していた。
実施例2
プロペラ式撹拌機および還流冷却器を備える2Lのセパラブル容器に、シクロヘキサン500.00g、Span(登録商標)20(モノステアリン酸ソルビタン)1.88gおよび実施例1からの超吸収体粒子60.00gを予め装入し、撹拌および窒素導入下で70℃に加熱した。
アクリル酸50.00g(0.694mol)、50質量%の水酸化ナトリウム水溶液43.00g(0.538mol)、水45.60g、Ν,Ν‘−メチレンビスアクリルアミド(MBA)0.0125g(0.081mmol)およびペルオキソ二硫酸カリウム0.167g(0.618mmol)から調製されるモノマー溶液2を供給容器に満たし、空気でパージした。モノマー溶液2を、30分以内に400回転/minの攪拌機回転数で滴加した。滴加の直前に、モノマー溶液2を窒素で不活性化させた。
供給終了後、70℃でさらに60分撹拌した。引き続き、還流冷却器を水分離器と交換し、水を分離した。
本発明の懸濁液を60℃に冷却し、得られたポリマー粒子を、ペーパーフィルターを有するブフナー漏斗を介して吸引した。45℃で、空気循環式乾燥キャビネット内にて、場合によっては真空乾燥キャビネット内にて、800mbarで、15質量%未満の残留含水量になるまでさらに乾燥を行った。
得られたポリマー粒子の特性は、表1に要約されている。
実施例3
プロペラ式撹拌機および還流冷却器を備える2Lのセパラブル容器に、n−ヘプタン500.00g、ステアリン酸スクロース(Ryoto(登録商標)Sugar Ester S−370、Mitsubishi Chemical Europe GmbH、Duesseldorf、ドイツ)0.92gおよび超吸収体粒子60.00gを予め装入し、ステアリン酸スクロースが完全に溶解するまで、撹拌および窒素導入下で70℃の内部温度に加熱した。
超吸収体粒子を、国際公開第2014/079694号(WO2014/079694A1)の例1に従って製造し、図1の流(8)から分けた。
その後、アクリル酸50.00g(0.694mol)、50質量%の水酸化ナトリウム水溶液43.00g(0.538mol)、水45.60g、Ν,Ν‘−メチレンビスアクリルアミド(MBA)0.0125g(0.081mmol)およびペルオキソ硫酸カリウム0.167g(0.618mmol)から調製されるモノマー溶液2を供給容器に満たし、空気でパージした。モノマー溶液2を、30分以内に400回転/minの攪拌機回転数で滴加した。滴加の直前に、モノマー溶液2を窒素で不活化させた。
供給終了後、70℃でさらに60分撹拌した。引き続き、還流冷却器を水分離器と交換し、水を分離した。
本発明の懸濁液を60℃に冷却し、得られたポリマー粒子を、ペーパーフィルターを有するブフナー漏斗を介して吸引した。45℃で、空気循環式乾燥キャビネット内にて、場合によっては真空乾燥キャビネット内にて、800mbarで、15質量%未満の残留含水量になるまでさらに乾燥を行った。
得られたポリマー粒子の特性は、表1に要約されている。
実施例4
実施例3のように操作し、ここでアクリル酸50.00g(0.694mol)、50質量%の水酸化ナトリウム水溶液43.00g(0.538mol)、水75.60g、Ν,Ν‘−メチレンビスアクリルアミド(MBA)0.0125g(0.081mmol)およびペルオキソ二硫酸カリウム0.167g(0.618mmol)から調製されるモノマー溶液2を使用した。
得られたポリマー粒子の特性は、表1に要約されている。
実施例5
実施例3のように操作し、ここでアクリル酸50.00g(0.694mol)、50質量%の水酸化ナトリウム水溶液43.00g(0.538mol)、水93.60g、Ν,Ν‘−メチレンビスアクリルアミド(MBA)0.0125g(0.081mmol)およびペルオキソ二硫酸カリウム0.167g(0.618mmol)から調製されるモノマー溶液2を使用した。
得られたポリマー粒子の特性は、表1に要約されている。
Figure 0006820862

Claims (15)

  1. a)少なくとも部分的に中和されていてよい、少なくとも1種のエチレン性不飽和の酸基含有モノマー、
    b)任意で、1種または複数の架橋剤、
    c)少なくとも1種の開始剤、
    d)任意で、1種または複数の、a)に挙げ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)任意で、1種または複数の水溶性ポリマー
    を含有するモノマー水溶液1を重合させ、
    得られるポリマー粒子を任意で乾燥させ、かつ/または粉砕し、
    250μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を分離し、
    分離した前記ポリマー粒子を疎水性有機溶媒中に分散させ、
    分散させた前記ポリマー粒子を、
    i)少なくとも部分的に中和されていてよい、少なくとも1種のエチレン性不飽和の酸基含有モノマー、
    ii)任意で、1種または複数の架橋剤、
    iii)少なくとも1種の開始剤、
    iv)任意で、1種または複数の、i)に挙げ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
    v)任意で、1種または複数の水溶性ポリマー
    を含有するモノマー水溶液2と混合し、前記モノマー水溶液1および前記モノマー水溶液2は同じであっても、または異なっていてもよく、分散させた前記ポリマー粒子に前記モノマー水溶液2と共に付与される水の合計量が、分散させた前記ポリマー粒子を基準として少なくとも100質量%であり、前記モノマー水溶液2に含まれる前記モノマーi)の量は、分散させた前記ポリマー粒子の量を基準として、5〜80質量%であり、かつ
    前記モノマー水溶液2を重合させることを特徴とする、
    超吸収体粒子を凝集させる方法。
  2. 200μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を分離することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 150μmまたはそれ未満の粒径を有するポリマー粒子を分離することを特徴とする、請求項1記載の方法。
  4. 前記モノマー水溶液2と共に付与される水の量が、分散させた前記ポリマー粒子を基準として少なくとも150質量%であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 前記モノマー水溶液2と共に付与される水の量が、分散させた前記ポリマー粒子を基準として少なくとも175質量%であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記モノマー水溶液2が、1molのモノマーi)を基準として0.01〜0.50mmolの架橋剤ii)を含有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 前記モノマー水溶液2が、1molのモノマーi)を基準として0.02〜0.25mmolの架橋剤ii)を含有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  8. 前記モノマー水溶液2が、1molのモノマーi)を基準として0.05〜0.15mmolの架橋剤ii)を含有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  9. 前記モノマー水溶液1を液滴重合によって重合させることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 前記ポリマー粒子を、フィルターまたはサイクロンを用いて液滴重合の排ガスから分離することを特徴とする、請求項9記載の方法。
  11. 前記モノマー水溶液1を懸濁重合によって重合させ、得られるポリマー粒子を乾燥させることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  12. 前記モノマー水溶液1を溶液重合によって重合させ、得られるポリマー粒子を乾燥させ、粉砕することを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  13. 前記ポリマー粒子を、250μmまたはそれ未満のメッシュ幅を有する篩を用いて分離することを特徴とする、請求項11または12記載の方法。
  14. 前記ポリマー粒子を、200μmまたはそれ未満のメッシュ幅を有する篩を用いて分離することを特徴とする、請求項11または12記載の方法。
  15. 前記ポリマー粒子を、150μmまたはそれ未満のメッシュ幅を有する篩を用いて分離することを特徴とする、請求項11または12記載の方法。
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