JP6837137B2 - 高吸水性樹脂およびその製造方法 - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2017年12月14日付の韓国特許出願第10−2017−0172277号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、吸収性能に優れた高吸水性樹脂およびその製造方法に関する。
高吸水性樹脂(Super Absorbent Polymer、SAP)とは、自重の5百ないし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って、開発会社ごとにSAM(Super Absorbency Material)、AGM(Absorbent Gelling 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。
多くの場合に、このような高吸水性樹脂はおむつや生理用ナプキンなど衛生材料分野で幅広く使用されている。このような衛生材料中の前記高吸水性樹脂は、パルプ内に広がった状態で含まれるのが一般的である。しかし、最近になって、より薄い厚さのおむつなど衛生材料を提供するための努力が続いている。このように薄い衛生材料に対する要求が高まることによって、衛生材料内の吸水性樹脂の比率が増加する傾向にある。そのためには、吸水性樹脂は、衛生材料内のパルプが担当する性能を兼ね備える必要性がある。したがって、高い吸収倍率はもちろん、高い通液性および吸収速度を持たなければならない。
吸収速度を向上させるためには、一般に発泡剤を用いるか、高いエネルギーで含水ゲルを粉砕するが、この場合、表面および内部に多孔性構造が形成されて、外部力によって簡単に破砕され、これによって吸水性樹脂の製造および衛生材料の製造工程中に粉塵(dust)が発生して作業に煩わしさがあり、工程途中に目詰まり現象を誘発する問題がある。
このような粉塵の発生および工程での目詰まりの問題を解決するために、従来は微分再組立体の強度を向上させるか(韓国登録特許第10−1559081号公報)、含水率を高めて粉塵の発生量を減らしたが(国際出願PCT/JP2013/082503号公報)、このような方法は、最近要求される水準の通液性(PDAUP)と吸収速度(Vortex)を確保するには不十分である。また、工程での目詰まりの問題だけを解決するために無機粒子を混合する方法も提案されたが(米国特許公開第2013/0130895号公報)、無機粒子が吸水性樹脂粒子表面から脱離して粉塵を増加させ、吸水性樹脂の物性が低下する問題がある。
本発明は、薄い衛生材料に適用するのに適した無加圧/加圧吸収量、通液性、および吸収速度を持ちながらも、衛生材料の製造工程で粉塵の発生を抑制し、かつ、吸水性樹脂の製造過程でも目詰まり現象のない高吸水性樹脂を提供する。
前記課題を解決するために、本発明は、下記の高吸水性樹脂を提供する。
少なくとも一部が中和された酸性基を有する水溶性エチレン系不飽和単量体の第1架橋重合体を含むベース樹脂粉末;および
前記ベース樹脂粉末上に形成されており、前記第1架橋重合体が表面架橋剤を媒介として追加架橋された第2架橋重合体を含む表面架橋層を含む高吸水性樹脂であって、
遠心分離保水能(CRC)が26g/g以上であり、
0.7psiの加圧下吸水能(0.7AUP)が18g/g以上であり、
加圧通液性(PDAUP)が15g/g以上であり、
Vortex測定方法により測定した吸収速度が80秒以下であり、
anticaking効率が30%以上である、高吸水性樹脂。
本発明では、薄い衛生材料に適用するのに適した無加圧/加圧吸収量、通液性、および吸収速度を持ちながらも、衛生材料の製造工程での粉塵の発生を抑制し、かつ、吸水性樹脂の製造過程でも目詰まり現象のない高吸水性樹脂を提供するためのものであり、後述するように、高吸水性の製造工程中、特に表面架橋およびその後処理時に親水性無機粒子と疎水性無機粒子を用いる場合、前記の効果を達成できることを確認したのである。
以下、本発明を詳しく説明する。
高吸水性樹脂
前記第1架橋重合体を構成する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使用される任意の単量体でありうる。非制限的な例として、前記水溶性エチレン系不飽和単量体は、下記の化学式1で表される化合物でありうる:
[化学式1]
1−COOM1
前記化学式1において、
1は不飽和結合を含む炭素数2〜5のアルキルグループであり、
1は水素原子、1価または2価金属、アンモニウム基または有機アミン塩である。
好ましくは、前記単量体はアクリル酸、メタクリル酸、およびこれら酸の1価金属塩、2価金属塩、アンモニウム塩および有機アミン塩からなる群より選択される1種以上であることができる。このように水溶性エチレン系不飽和単量体としてアクリル酸またはその塩を用いる場合、吸水性が向上した高吸水性樹脂を得ることができて、有利である。
その他にも、前記単量体としては、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−(メト)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、(メト)アクリルアミド、N−置換(メト)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メト)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メト)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メト)アクリレート、ポリエチレングリコール(メト)アクリレート、(N,N)−ジメチルアミノエチル(メト)アクリレート、(N,N)−ジメチルアミノプロピル(メト)アクリルアミドなどを用いることができる。
ここで、前記水溶性エチレン系不飽和単量体は酸性基を有し、前記酸性基の少なくとも一部が中和されたものでもよい。好ましくは、前記単量体を水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウムなどのようなアルカリ物質で部分的に中和させたのが用いられる。
この時、前記単量体の中和度は40〜95モル%、または40〜90モル%、または45〜85モル%でありうる。前記中和度の範囲は、最終物性により変わることがあるが、中和度が過度に高ければ中和した単量体が析出して重合が円滑に行われにくくなり、反対に、中和度が過度に低ければ高分子の吸水力が大きく落ちるだけでなく、取扱困難な弾性ゴムのような性質を示すことができる。
好ましくは、前記表面架橋層は親水性無機粒子を含み、前記表面架橋層の表面に疎水性無機粒子を含む。つまり、前記表面架橋層は、前記ベース樹脂粉末の表面が表面架橋剤を媒介として追加架橋された第2架橋重合体および親水性無機粒子を含むもので、表面架橋剤および表面架橋方法については後述する。また、前記表面架橋層上には疎水性無機粒子を含んでいる。
前記親水性無機粒子は、シリカ粒子または金属酸化物粒子を使用することができる。前記金属酸化物粒子は、酸化アルミニウム粒子、またはチタニウムオキシド粒子を使用することができる。前記親水性無機粒子は、シリカ粒子または金属酸化物粒子の表面に特別な化学処理を行わないもので、その表面は親水性を示す。
前記疎水性無機粒子は、シリカ粒子または金属酸化物粒子の表面を疎水性基を有する化合物、具体的にはシロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理して疎水性を示す無機粒子である。好ましくは、前記疎水性無機粒子は、その表面がヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane)、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane)またはジメチルジクロロシラン(dimethyldichlorosilane)で表面処理される。つまり、前記疎水性無機粒子は、前記親水性無機粒子の表面に疎水性基を有する化合物で表面処理したものを意味する。
また、前記親水性無機粒子または疎水性無機粒子は、それぞれBET比表面積が5〜500m2/gまたは25〜450m2/gまたは50〜400m2/gでありうる。
一方、本発明による高吸水性樹脂は、生理食塩水(0.9重量%塩化ナトリウム水溶液)に対する30分間の遠心分離保水能(CRC)が26g/g以上である。前記遠心分離保水能は、高吸水性樹脂が吸収した水分をそのまま保有する能力を意味する。その具体的な測定方法は、以下の実施例でより具体化する。
好ましくは、前記遠心分離保水能は27g/g以上、または28g/g以上である。前記遠心分離保水能はその値が高いほど優れたもので、理論的に上限の制限はないが、一例として45g/g以下、または44g/g以下である。
また、本発明による高吸水性樹脂は、0.7psiの加圧下吸水能(0.7AUP)が18g/g以上である。前記0.7AUPは、0.7psi加圧下で1時間吸収した塩水の量を意味するもので、これは高吸水性樹脂が吸収できる水の総量を意味する。その具体的な測定方法は、以下の実施例でより具体化する。
好ましくは、前記0.7AUPは19g/g以上、または20g/g以上である。また、前記0.7AUPはその値が高いほど優れたものであるため、理論的に上限の制限はないが、一例として29g/g以下、または28g/g以下である。
また、本発明による高吸水性樹脂は、加圧通液性(Permeability Dependent Absorption Under Pressure;PDAUP)が15g/g以上である。前記PDAUPはAUPと類似するが、測定しようとする高吸水性樹脂の量を増加させて1時間吸収した塩水の量を意味するもので、通液性まで考慮したAUPを評価することである。その具体的な測定方法は、以下の実施例でより具体化する。
好ましくは、前記PDAUPが15g/g以上、または16g/g以上である。また、前記PDAUPはその値が高いほど優れたものであるため、理論的に上限の制限はないが、一例として24g/g以下、または23g/g以下である。
また、本発明による高吸水性樹脂は、Vortex測定方法により測定した吸収速度は80秒以下である。前記吸収速度は、生理食塩水に高吸水性樹脂を加えて攪拌した時、速い吸収によって液体のうず巻き(vortex)がなくなる時間を意味するもので、前記高吸水性樹脂の速い吸水能力を意味する。その具体的な測定方法は、以下の実施例でより具体化する。
好ましくは、前記Vortex測定方法により測定した吸収速度が80秒以下、または75秒以下である。また、前記Vortex測定方法により測定した吸収速度はその値が小さいほど優れたものであるため、理論的に下限は0秒であるが、一例として25秒以上、または30秒以上である。
また、本発明による高吸水性樹脂は、anticaking効率が30%以上である。前記anticaking効率は、高吸水性樹脂を保管する場合互いに固まる程度を評価するもので、下記数式1により測定され、その具体的な測定方法は、以下の実施例でより具体化する。
[数式1]
anticaking効率(%)=(W1)/(W1+W2)X100
前記数式1において、
1は高吸水性樹脂2gを95mm内径のglass petri dishに均等に散布した後、40℃および相対湿度80%条件の恒温恒湿器で10分間含浸させ、取り出して5分間ひっくり返した後、底に落ちた高吸水性樹脂の重量であり、W2はglass petri dishに残っている高吸水性樹脂の重量である。
好ましくは、前記anticaking効率が35%以上、または40%以上である。また、前記anticaking効率はその値が高いほど優れたもので、理論的な上限は100%であるが、一例として99%以下、または98%以下である。
また、好ましくは、本発明による高吸水性樹脂は平均粒径が300〜600μmである。また、好ましくは、本発明による前記高吸水性樹脂中の粒径が300〜600μmである高吸水性樹脂を10〜90重量%で含む。また、好ましくは、前記高吸水性樹脂中の粒径が300μm以下である高吸水性樹脂を10重量%以上含む。
また、本発明による高吸水性樹脂は、後述する実施例のように粉塵(dust)の発生程度が少なくて衛生材料の製造工程で粉塵の発生を抑制することができる。
高吸水性樹脂の製造方法
本発明は、上述した高吸水性樹脂の製造方法で、下記の段階を含む製造方法を提供する。
内部架橋剤の存在下で、少なくとも一部が中和された酸性基を有する水溶性エチレン系不飽和単量体を架橋重合して、第1架橋重合体を含む含水ゲル重合体を形成する段階(段階1);
前記含水ゲル重合体を粗粉砕、乾燥、および粉砕してベース樹脂粉末を製造する段階(段階2);
親水性無機粒子を含む表面架橋液の存在下で、前記ベース樹脂粉末を熱処理して表面架橋して高吸水性樹脂粒子を製造する段階(段階3)、および
前記高吸水性樹脂粒子に疎水性無機粒子を塗布する段階(段階4)。
以下、各段階別に前記の製造方法について詳しく説明する。
(段階1)
前記段階1は、含水ゲル重合体を形成する段階であって、内部架橋剤の存在下で少なくとも一部が中和された酸性基を有する水溶性エチレン系不飽和単量体を含む単量体組成物を架橋重合する段階である。
この時、前記水溶性エチレン系不飽和単量体は前述の通りである。また、前記単量体組成物中の前記水溶性エチレン系不飽和単量体の濃度は、重合時間および反応条件などを考慮して適切に調節されることができ、好ましくは20〜90重量%、または40〜65重量%でありうる。このような濃度範囲は、高濃度水溶液の重合反応で現れるゲル効果現象を用いて重合後に未反応単量体を除去する必要がないようにしながらも、後述する重合体の粉砕時の粉砕効率を調節するのに有利になる。ただし、前記単量体の濃度が過度に低くなれば高吸水性樹脂の収率が低くなることができる。反対に、前記単量体の濃度が過度に高くなれば単量体の一部が析出したり、重合された含水ゲル状重合体の粉砕時に粉砕効率が落ちるなど工程上の問題が生じることができ、高吸水性樹脂の物性が低下できる。
また、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重合時に架橋結合の導入を可能にするものであればいかなる化合物も使用可能である。非制限的な例として、前記内部架橋剤は、ポリエチレングリコールジアクリレート、N,N'−メチレンビスアクリルアミド、トリメチルロールプロパントリ(メト)アクリレート、エチレングリコールジ(メト)アクリレート、ポリエチレングリコール(メト)アクリレート、プロピレングリコールジ(メト)アクリレート、ポリプロピレングリコール(メト)アクリレート、ブタンジオールジ(メト)アクリレート、ブチレングリコールジ(メト)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メト)アクリレート、ヘキサンジオールジ(メト)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メト)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メト)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メト)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、グリセリントリ(メト)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、トリアリールアミン、アリル(メト)アクリレート、プロパンジオール、エチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコール、グリセリン、またはエチレンカーボネートのような多官能性架橋剤が単独使用または2種類以上併用することができ、これに限定されるものではない。
このような内部架橋剤は、前記単量体組成物に対して約0.001〜1重量%の濃度で添加されることができる。つまり、前記内部架橋剤の濃度が過度に低い場合樹脂の吸収速度が低くなり、ゲル強度が弱くなることができて、望ましくない。反対に、前記内部架橋剤の濃度が過度に高い場合樹脂の吸収力が低くなり、吸収体としては望ましくない可能性がある。
また、前記段階1で、高吸水性樹脂の製造で一般的に使用されている重合開始剤が含まれることができる。非制限的な例として、前記重合開始剤としては重合方法に応じて熱重合開始剤または光重合開始剤などを用いることができ、特に熱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ので、熱重合開始剤を追加的に含むことができる。
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群より選択される一つ以上の化合物を用いることができる。具体的には、過硫酸塩系開始剤としては、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)などが挙げられる。また、アゾ(Azo)系開始剤としては、2,2−アゾビス−(2−アミジノプロパン)二塩化塩(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))などが挙げられる。より多様な熱重合開始剤に対しては、Odianの著書“Principle of Polymerization(Wiley、1981年)”の203ページに明示されており、これを参照することができる。
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)およびアルファ−アミノケトン(α−aminoketone)からなる群より選択される一つ以上の化合物を用いることができる。その中でアシルホスフィンの具体的な例としては、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。より多様な光重合開始剤に対しては、Reinhold Schwalmの著書“UV Coatings:Basics、Recent Developments and New Application(Elsevier 2007年)”の115ページに明示されており、これを参照することができる。
このような重合開始剤は、前記単量体組成物に対して約0.001〜1重量%の濃度で添加されることができる。つまり、前記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ことができ、最終製品に残存モノマーが多量に抽出されることができて、望ましくない。反対に、前記重合開始剤の濃度が前記範囲より高い場合ネットワークをなす高分子チェーンが短くなって水可溶成分の含有量が高くなり、加圧吸水能が低くなるなど樹脂の物性が低下できて、望ましくない。
その他にも、前記単量体組成物は、必要に応じて発泡剤、界面活性剤、増粘剤、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。
そして、このような単量体組成物は、前述した単量体などの原料物質が溶媒に溶解された溶液の形態で準備され得る。この時、使用可能な溶媒としては、前述した原料物質を溶解できればその構成の限定なしに用いることができる。例えば、前記溶媒としては水、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、メチルセロソルブアセテート、N,N−ジメチルアセトアミド、またはこれらの混合物などを用いることができる。
そして、前記単量体組成物の重合を通した含水ゲル重合体の形成は、通常の重合方法で行うことができ、その工程は特に限定されない。非制限的な例として、前記重合方法は、重合エネルギー源の種類により大きく熱重合と光重合とに分けられ、前記熱重合を行う場合、ニーダー(kneader)のような攪拌軸を有する反応器で行われ、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器で行われることができる。
一例として、攪拌軸を備えたニーダーのような反応器に、前記単量体組成物を投入し、そこに熱風を供給したり反応器を加熱して熱重合することによって含水ゲル状重合体を得ることができる。この時、反応器に具備された攪拌軸の形態により、反応器排出口に排出される含水ゲル状重合体は、数ミリメートル〜数センチメートルの粒子で得られる。具体的には、得られる含水ゲル状重合体は、注入される単量体組成物の濃度および注入速度などにより多様な形態に得られるが、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。
そして、他の一例として、移動可能なコンベヤーベルトを備えた反応器で前記単量体組成物に対する光重合を行う場合、シート状の含水ゲル状重合体が得られる。この時、前記シートの厚さは、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が、シート全体が均等に重合され得るようにし、かつ生産速度などを確保するために、通常、0.5〜5cmの厚さで調節することが望ましい。
この時、このような方法で得られた含水ゲル重合体の通常の含水率は、40〜80重量%でありうる。一方、本明細書全体で“含水率”とは、含水ゲル重合体の全体重量に対して占める水分の含有量で、含水ゲル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、赤外線加熱によっ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℃で維持する方式で、総乾燥時間は温度上昇段階の5分を含んで20分に設定して、含水率を測定する。
(段階2)
前記段階2は、前記段階1で製造した含水ゲル重合体を粗粉砕、乾燥、粉砕してベース樹脂粉末を形成する段階である。
まず、前記段階1で製造した含水ゲル状重合体を粗粉砕して、サイズが小さい粒子の含水ゲル状重合体を製造する。
この時、使用される粉砕機は構成に限定はないが、具体的には、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)、回転切断式粉砕機(Rotary cutter mill)、切断式粉砕機(Cutter mill)、円板粉砕機(Disc mill)、断片破砕機(Shred crusher)、破砕機(Crusher)、チョッパ(chopper)、および円板式切断機(Disc cutter)からなる粉砕機器の群より選択されるいずれか一つを含むことができるが、前記例に限定されない。
この時、粗粉砕段階は、含水ゲル重合体の粒径が約2mm〜約10mmと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像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。
次に、前記のように粗粉砕された含水ゲル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50〜250℃でありうる。乾燥温度が50℃未満の場合、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恐れがあり、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分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恐れがある。より好ましくは、前記乾燥は150〜200℃の温度で、さらに好ましくは160〜190℃の温度で行うことができる。一方、乾燥時間の場合には、工程効率などを考慮して、20分〜15時間行うことができるが、これに限定されない。
前記乾燥工程で通常使用されるものであれば、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、0.05〜10重量%でありうる。
次に、前記のように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、150〜850μm粒径の含有量が90%以上となるのが望ましい。このような粒径に粉砕するために使用される粉砕機は、具体的には、ボールミル(ball mill)、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)またはジョッグミル(jog mill)などを用いることができるが、前述した例に限定されない。
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150〜850μm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後述する表面架橋反応段階を経て製品化することができる。より好ましくは、前記重合体粉末で150〜850μm粒径の含有量が90%以上となるのが望ましい。
(段階3)
前記段階3は、前記段階2で製造したベース樹脂の表面を架橋する段階であって、親水性無機粒子を含む表面架橋液の存在下で、前記ベース樹脂粉末を熱処理して表面架橋して高吸水性樹脂粒子を形成する段階である。
ここで、前記表面架橋液に含まれる表面架橋剤の種類は、特に制限されない。非制限的な例として、前記表面架橋剤は、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、グリセロールポリジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、エチレンカーボネート、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロパンジオール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン、ポリグリセリン、ブタンジオール、ヘプタンジオール、ヘキサンジオールトリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、カルシウム水酸化物、マグネシウム水酸化物、アルミニウム水酸化物、鉄水酸化物、カルシウム塩化物、マグネシウム塩化物、アルミニウム塩化物、および鉄塩化物からなる群より選択される1種以上の化合物でありうる。
この時、前記表面架橋剤の含有量は、その種類や反応条件などに応じて適切に調節されることができ、好ましくは、前記ベース樹脂100重量部に対して0.001〜5重量部で調節することができる。前記表面架橋剤の含有量が過度に低くなれば、表面架橋がうまく導入されなくて、最終高吸水性樹脂の物性が低下できる。反対に、前記表面架橋剤が多すぎる含有量で使用されると過度な表面架橋反応によって高吸水性樹脂の吸収力がむしろ低下することがあり、望ましくない。
また、前記表面架橋液は水、メタノール、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、メチルセロソルブアセテートおよびN,N−ジメチルアセトアミドからなる群より選択される1種以上の溶媒をさらに含むことができる。前記溶媒は、前記ベース樹脂100重量部に対して0.5〜15重量部で含まれることができる。
また、前記表面架橋液は親水性無機粒子を含む。
前記親水性無機粒子は上述したとおりであり、好ましくは、前記ベース樹脂100重量部に対して0.002〜0.25重量部で含まれる。
一方、前記表面架橋を行うためには、前記表面架橋液と前記ベース樹脂を反応槽に入れて混合する方法、前記ベース樹脂に表面架橋溶液を噴射する方法、連続的に運転されるミキサーに前記ベース樹脂と表面架橋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。
好ましくは、前記表面架橋は、前記ベース樹脂粉末を10分〜50分間180℃まで昇温し、180℃以上で10分〜50分間熱処理して表面架橋する。つまり、実質的に表面架橋のための温度区間を2段階に調節して、親水性無機粒子と一緒に表面架橋を誘導して高吸水性樹脂の物性を向上させる。前記二番目の温度区間は180℃以上を維持することで、好ましくは180〜200℃を維持する。
(段階4)
前記段階4は、前記段階3で製造した高吸水性樹脂粒子に疎水性無機粒子を塗布する段階である。
前記疎水性無機粒子は上述したとおりである。前記疎水性無機粒子は、前記高吸水性樹脂粒子100重量部対比0.001〜0.15重量部を使用することが望ましい。
前述のように、本発明による高吸水性樹脂は、薄い衛生材料に適用するのに適した無加圧/加圧吸収量、通液性、および吸収速度を持ちながらも、衛生材料の製造工程で粉塵の発生を抑制し、かつ、吸水性樹脂の製造過程でも目詰まり現象のないという特徴がある。
以下、本発明の理解を助けるために望ましい実施例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明を例示したものに過ぎず、本発明の内容は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例1
(段階1)
アクリル酸100重量部に、内部架橋剤としてポリエチレングリコールジアクリレート(重量平均分子量:〜500g/mol)0.2重量部、エトキシレイテッドトリメチロールプロパントリアクリレート(重量平均分子量:〜700g/mol)0.1重量部、および光開始剤としてIRGACURE 819 0.01重量部を混合して単量体溶液を製造した。次に、前記単量体溶液を定量ポンプで連続供給しながら、同時に24wt%水酸化ナトリウム水溶液160重量部を連続的にラインミキシングして単量体水溶液を製造した。この時、中和熱によって上昇した温度を40℃に調節した。また、4wt%過硫酸ナトリウム水溶液6重量部を連続的にラインミキシングした後、両端に堰を備えた平面状の重合ベルトを有する連続重合機に連続的に供給した。その後、1分間UVを照射し、2分間追加的に熱重合を行い含水ゲルを製造した。
(段階2)
前記段階1で製造した含水ゲルを平均サイズが約300mm以下となるように切断した後、微分再組立体を追加して粉砕機(11mmの直径を有する複数の孔を含む多孔板を備える)に投入し粉砕した。ここで、前記微分再組立体は、以下の段階4で製造した微分再組立体を使用し、投入比率は含水ゲル対比18wt%であった。
(段階3)
前記段階2で粉砕された含水ゲルを上下に風量転移が可能な乾燥機で乾燥させた。乾燥された粉の含水量が約2%以下となるように180℃のホットエアー(hot air)を15分間下方から上方に流れるようにし、再び15分間上方から下方に流れるようにして前記含水ゲルを均一に乾燥させた。
(段階4)
前記段階3で乾燥された樹脂を粉砕機で粉砕した後、分級して150〜850μmサイズのベース樹脂を得た。一方、前記分級を通じて150μm未満の粒径を有する重合体粒子を水で組み立てて、上述した段階2の微分再組立体に使用した。
(段階5)
前記段階4で製造したベース樹脂100重量部を、水3重量部、メタノール3重量部、1,3−プロパンジオール0.5重量部、および親水性無機粒子としてAl23粒子(BET比表面積130m2/g)0.1重量部を混合した架橋剤溶液と混合した後、常温で180℃まで25分間昇温し、180℃で30分間維持して、表面架橋反応させた。そして、得られた生成物を冷却させた後、分級して粒径が150〜850μmである表面架橋された高吸水性樹脂を得た。
(段階6)
前記段階5で製造した高吸水性樹脂粒子100重量部対比疎水性無機粒子でヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane)で表面処理されたSiO2粒子(BET比表面積140m2/g)0.05重量部をミキサーを使用して塗布して、高吸水性樹脂を製造した。
実施例2乃至8
前記実施例1と同様の方法で製造するが、親水性無機粒子、表面架橋反応および疎水性無機粒子を以下の表1のとおり使用して、高吸水性樹脂をそれぞれ製造した。
Figure 0006837137
比較例1乃至8
前記実施例1と同様の方法で製造するが、親水性無機粒子、表面架橋反応および疎水性無機粒子を以下の表2のとおり使用して、高吸水性樹脂をそれぞれ製造した。
Figure 0006837137
実験例:高吸水性樹脂の物性評価
前記実施例および比較例で製造した高吸水性樹脂の物性を以下の方法で評価した。
(1)遠心分離保水能(Centrifuge Retention Capacity、CRC)
ヨーロッパ不織布工業会(European Disposables and Nonwovens Association、EDANA)規格のEDANA WSP241.3によって実施例および比較例の高吸水性樹脂に対して、無荷重下吸収倍率による遠心分離保水能(CRC)を測定した。
具体的に、実施例および比較例の樹脂W0(g、約0.1g)を不織布材質の袋に均一に入れて封止(seal)した後に、常温で0.9重量%の塩化ナトリウム水溶液からなる生理食塩水に含浸させた。30分後に袋を遠心分離機を用いて250Gで3分間水切りした後、袋の質量W2(g)を測定した。また、高吸水性樹脂を使用せずに同様の操作をした後、その時の質量W1(g)を測定した。
このようにして得られた各質量を用いて下記数式によってCRC(g/g)を算出した。
CRC(g/g)=[[W2(g)−W1(g)−W0(g)]/W0(g)]
(2)加圧吸水能(AUP、Absorbing under Pressure)
前記実施例および比較例の高吸水性樹脂の生理食塩水に対する0.7psiの加圧吸水能(AUP)をEDANA法WSP242.2の方法により測定した。
具体的には、内径60mmのプラスチックの円筒底にステンレス製の400meshスクリーンを装着させた。そして、常温および50%の湿度下で前記スクリーンに加圧吸水能を測定しようとする高吸水性樹脂W0(g、0.9g)を均一に散布した。次に、前記高吸水性樹脂の上に4.83kPa(0.7psi)の荷重を均一にさらに付与できるピストン(piston)を付加した。この時、ピストンとしては、外径が60mmより若干小さく、円筒の内壁と隙間がなく、上下に自由に動くことができるように製作されたものを使用した。そして、このように準備された装置の重量W1(g)を測定した。
次いで、直径150mmのペトロ皿の内側に直径90mm、厚さ5mmのガラスフィルターを置き、前記ペトロ皿に0.9重量%の生理食塩水を注ぐ。この時、生理食塩水の水面がガラスフィルターの上面と水平になるまで生理食塩水を注ぐ。そして、前記ガラスフィルターの上に直径90mmのろ過紙1枚を載せた。
次いで、前記ろ過紙の上に準備した装置を載せ、装置内の高吸水性樹脂を荷重下で生理食塩水により膨潤するようにした。1時間後、膨潤した高吸水性樹脂を浸した装置の重量W2(g)を測定した。このように測定された重量を用いて下記数式により加圧吸水能を算出した。
AUP(g/g)=[W2(g)−W1(g)]/W0(g)
(3)加圧通液性(PDAUP)
前記実施例および比較例の高吸水性樹脂の加圧通液性をEDANA WSP243.1の方法により測定した。
具体的には、内径60mmのプラスチックの円筒底にステンレス製の400mesh鉄網を装着させた。常温、湿度50%の条件下で鉄網上に吸水性樹脂W0(g)(5.0g)を均一に散布し、その上に4.83kPa(0.7psi)の荷重を均一にさらに付与できるピストン(piston)は、外径が60mmより若干小さく、円筒の内壁と隙間がなく、上下の動きが妨害されないようにした。この時、前記装置の重量W1(g)を測定した。直径150mmのペトロ皿の内側に直径90mmで厚さ5mmのガラスフィルターを置き、0.90重量%塩化ナトリウムから構成された生理食塩水をガラスフィルターの上面と同一のレベルになるようにした。その上に直径90mmのろ過紙1枚を載せた。ろ過紙の上に前記測定装置を載せ、液を荷重下で1時間吸収した。1時間後、測定装置を持ち上げ、その重量W2(g)を測定した。次の式3により加圧吸水能を計算した。
PDAUP(g/g)=[(W2(g)−W1(g)]/W0(g)
(4)吸収速度(Vortex time)
実施例および比較例の高吸水性樹脂の吸収速度は、国際特許公開第1987−003208号に記載された方法に準じて秒単位で測定する。
具体的には、吸収速度(あるいはvortex time)は、23℃〜24℃、50mLの生理食塩水に高吸水性樹脂(2g)を入れて、マグネチックバー(直径8mm、長さ30mm)を600rpmで攪拌して渦(vortex)がなくなるまでの時間を秒単位で測定した。
(5)Anticaking効率
実施例および比較例の高吸水性樹脂のanticaking効率を測定した。
具体的には、直径95mmのガラス製のPetri−dishに高吸水性樹脂(2g)を均等に分布させた。Petri−dishを温度40℃、相対湿度80%に維持された恒温抗湿chamberに入れて10分間放置し、Petri−dishをひっくり返した。5分後に底に落ちた樹脂の重量(W1)およびPetri−dishに残っている高吸水性樹脂の重量(W2)を測定し、下記数式から計算した。
anticaking効率(%)=(W1)/(W1+W2)X100
(6)Dust Number
Palas社(ドイツ)製のDustviewII機器を使用して、実施例および比較例の高吸水性樹脂(30g)に対するDust Numberを測定した。
前記のように測定した結果を以下の表3に示す。
Figure 0006837137

Claims (15)

  1. 少なくとも一部が中和された酸性基を有する水溶性エチレン系不飽和単量体の第1架橋重合体を含むベース樹脂粉末;および
    前記ベース樹脂粉末上に形成されており、前記第1架橋重合体が表面架橋剤を媒介として追加架橋された第2架橋重合体を含む表面架橋層を含む高吸水性樹脂であって、
    前記表面架橋層は親水性無機粒子を含み、前記表面架橋層の表面に疎水性無機粒子を含み、
    前記親水性無機粒子は、表面を化学処理していないシリカ粒子または表面を化学処理していない金属酸化物粒子であり、
    前記疎水性無機粒子は、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理したシリカ粒子、あるいは、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理した金属酸化物粒子であり、
    遠心分離保水能(CRC)が26g/g以上であり、
    0.7psiの加圧下吸水能(0.7AUP)が18g/g以上であり、
    加圧通液性(PDAUP)が15g/g以上であり、
    Vortex測定方法により測定した吸収速度が80秒以下であり、
    anticaking効率が30%以上である、高吸水性樹脂。
  2. 前記親水性無機粒子は、表面を化学処理していない金属酸化物粒子であり、
    前記疎水性無機粒子は、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理したシリカ粒子である請求項1に記載の高吸水性樹脂。
  3. 前記高吸水性樹脂のdust numberは3以下である、請求項1または2に記載の高吸水性樹脂。
  4. 前記遠心分離保水能(CRC)は28g/g以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の高吸水性樹脂。
  5. 0.7psiの加圧下吸水能(0.7AUP)は20g/g以上である、請求項1〜4のいずれかに記載の高吸水性樹脂。
  6. 前記加圧通液性(PDAUP)は16g/g以上である、請求項1〜5のいずれかに記載の高吸水性樹脂。
  7. 前記Vortex測定方法により測定した吸収速度は75秒以下である、請求項1〜6のいずれかに記載の高吸水性樹脂。
  8. 前記anticaking効率は、下記数式1により測定される、請求項1〜7のいずれかに記載の高吸水性樹脂:
    [数式1]
    anticaking効率(%)=(W1)/(W1+W2)X100
    前記数式1において、
    1は高吸水性樹脂2gを95mm内径のglass petri dishに均等に散布した後、40℃および相対湿度80%条件の恒温恒湿器で10分間含浸させ、取り出して5分間ひっくり返した後に底に落ちた高吸水性樹脂の重量であり、
    2はglass petri dishに残っている高吸水性樹脂の重量である。
  9. 前記anticaking効率は40%以上である、請求項1〜8のいずれかに記載の高吸水性樹脂。
  10. 内部架橋剤の存在下で、少なくとも一部が中和された酸性基を有する水溶性エチレン系不飽和単量体を架橋重合して、第1架橋重合体を含む含水ゲル重合体を形成する段階(段階1);
    前記含水ゲル重合体を粗粉砕、乾燥、および粉砕してベース樹脂粉末を製造する段階(段階2);
    親水性無機粒子を含む表面架橋液の存在下で、前記ベース樹脂粉末を熱処理して表面架橋して高吸水性樹脂粒子を製造する段階(段階3)、および
    前記高吸水性樹脂粒子に疎水性無機粒子を塗布する段階(段階4)を含み、
    前記親水性無機粒子は、表面を化学処理していないシリカ粒子または表面を化学処理していない金属酸化物粒子であり、
    前記疎水性無機粒子は、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理したシリカ粒子、あるいは、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理した金属酸化物粒子である、高吸水性樹脂の製造方法。
  11. 前記親水性無機粒子は、表面を化学処理していない金属酸化物粒子である、請求項10に記載の高吸水性樹脂の製造方法。
  12. 前記段階3は、前記ベース樹脂粉末を10分〜50分間、180℃まで昇温し、180℃以上で10分〜50分間熱処理して表面架橋する、請求項10または11に記載の高吸水性樹脂の製造方法。
  13. 前記疎水性無機粒子は、シロキサン、シラン、またはシラザンの化合物で表面を処理したシリカ粒子である、請求項10〜12のいずれかに記載の高吸水性樹脂の製造方法。
  14. 前記親水性無機粒子は、前記ベース樹脂100重量部に対して0.002〜0.25重量部で使用される、請求項10〜13のいずれかに記載の高吸水性樹脂の製造方法。
  15. 前記疎水性無機粒子は、前記ベース樹脂100重量部に対して0.001〜0.15重量部で使用される、請求項10〜14のいずれかに記載の高吸水性樹脂の製造方法。
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