JPWO2011090130A1 - 吸水性樹脂の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高固形分濃度(45重量%以上、更には50重量%以上、特に55重量%以上)を有する粒子状含水ゲルを乾燥して吸水性樹脂を製造する方法において、物性を維持・向上した吸水性樹脂の効率的な乾燥方法を提供する。【解決手段】不飽和単量体を重合させる重合工程と、重合中又は重合後の含水ゲルを細粒化して得られた固形分濃度45重量%以上の粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥させる乾燥工程と、を含む吸水性樹脂の製造方法であって、上記乾燥工程において、乾燥に供される上記粒子状含水ゲル状架橋重合体中の過酸化物量が、当該粒子状含水ゲル状架橋重合体の固形分重量に対して、1〜100ppmであり、上記乾燥工程における上記粒子状含水ゲル状架橋重合体の乾燥温度が、160℃以上であることを特徴とする、吸水性樹脂の製造方法。

Description

本発明は、吸水性樹脂の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、高濃度重合(固形分濃度を好ましくは45重量%以上、より好ましくは50重量%以上、更に好ましくは55重量%以上とする重合方法)において、物性を維持・向上した吸水性樹脂を効率的に提供するための乾燥方法の改良に関する。
吸水性樹脂(SAP/Super Absorbent Polymer)は水膨潤性水不溶性の高分子ゲル化剤であり、紙オムツ、生理用ナプキン等の吸収性物品、更には、農園芸用保水剤、工業用止水材等として、主に使い捨て用途に多用されている。このような吸水性樹脂としては、原料として多くの単量体や親水性高分子が提案されている。特に、アクリル酸及び/又はその塩を単量体として用いたポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂が、その吸水性能の高さから工業的に最も多く用いられている。アクリル酸の重合においては、一般的には、過硫酸塩、過酸化水素、有機過酸化物、水溶性アゾ開始剤、紫外線重合開始剤等のラジカル重合開始剤が使用され、中でも過硫酸ナトリウム塩等を用いたラジカル重合は、下記の特許文献やその実施例に開示されている。
このような吸水性樹脂は、単量体水溶液を重合して得られた含水ゲル状架橋重合体を重合時又は重合後に細粒化し、得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥して得られる(非特許文献1)。
ここで吸水性樹脂の乾燥方法としては、ベルト式乾燥機を用いる方法(特許文献1〜5)、ドラムドライヤー等で薄膜乾燥する方法(特許文献6)、有機溶媒中で共沸脱水する方法(特許文献7)、流動層で乾燥する方法(特許文献8)、振動流動乾燥する方法(特許文献9)、ローターで攪拌乾燥する方法(特許文献10)等が知られている。
又、吸水性樹脂の乾燥条件として、物性向上(例えば、残存モノマー低減、吸水倍率向上、水可溶成分低減)のために、露点や温度を制御する方法(特許文献11、12)、乾燥途中に粗砕して攪拌乾燥する方法(特許文献13)等が提案されている。
更に、吸水性樹脂の乾燥で、未乾燥物が発生することがあり、粉砕に過度の負荷がかかるため、このような未乾燥物を除去する方法(特許文献14〜16)も知られている。又、未乾燥物を発生させないため、重合ゲルの流動性を規定する方法(特許文献17)、乾燥機でゲルのならし装置を用いる方法(特許文献18、特許文献19)、乾燥機への特定のゲル定量供給装置を用いる乾燥方法(特許文献20)、熱風に加えて赤外線等を併用する方法(特許文献21)が知られている。更に、乾燥効率の向上のために、含水ゲルに界面活性剤や無機微粒子を添加する方法(特許文献22〜26)も知られている。又、低中和率含水ゲルのための乾燥方法(特許文献27)も提案されている。更に、乾燥前の含水ゲル中の熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数を40〜100とし、100〜250℃で乾燥する方法(特許文献28)も知られている。
米国特許出願公開第2008/214749号明細書 国際公開第2008/087114号パンフレット 国際公開第2008/037676号パンフレット 特開平8−073518号公報 特開平7−270070号公報 特開昭54−053165号公報 特開昭57−198714号公報 米国特許第6906159号明細書 特開2001−018222号公報 米国特許第5005771号明細書 米国特許第4920202号明細書 米国特許第6207796号明細書 米国特許第6187902号明細書 米国特許第6291636号明細書 米国特許第6641064号明細書 国際公開第2007/057350号パンフレット 米国特許出願公開第2008/021150号明細書 特開平10−059534号公報 米国特許第5229487号明細書 特開2003−012812号公報 特開2007−224224号公報 特開2000−143720号公報 特開2002−226599号公報 米国特許出願公開第2007/123624号明細書 特開2006−160774号公報 米国特許第5945495号公報 国際公開第2008/034786号公報パンフレット 国際公開第2007/116778号公報パンフレット
The Modern Superabsorbent Polymer Technology(1998)p.87〜93等
近年、紙オムツ等の需要増のため、吸水性樹脂の生産規模がますます拡大しており、1ラインあたりのスケールアップや重合濃度アップ(単量体水溶液の高濃度化等)が図られる傾向にある。
しかし、生産規模の拡大に伴って、物性低下やスケールアップ時のトラブルも多発しており、例えば、上記特許文献1〜13に代表される乾燥工程では、スケールアップ時の未乾燥物の発生や過度の乾燥に伴う物性低下が見られた。又、特許文献14〜16等の未乾燥物(未乾燥ゲル)除去は付加的な工程が必要であり、コストアップや複雑なプラント運転を伴うものであり、特許文献22〜26等の他の添加剤の使用も、コストアップのみならず、他の添加剤による吸水性樹脂の物性低下(例えば、表面張力低下、加圧下吸水倍率の低下、着色等)を伴うこともあった。特許文献17〜21の方法も乾燥機に付加的な高価な装置や工程が必要であり、又、特許文献27の乾燥方法も、中和率55モル%以下の低中和の吸水性樹脂に限定された手法であり、一般的な吸水性樹脂(例えば、中和率が60〜80モル%)には適用できないものであった。特許文献28の乾燥方法についても、過硫酸塩の増量に伴う着色等の問題を引き起こすことがあった。更に、吸水性樹脂の生産量の増大に伴って、生産性向上を目的として重合時間や乾燥時間の短縮が図られるが、かような生産性向上は一般的には吸水性樹脂の物性低下を招来するものであった。
上記問題は、より高固形分濃度の含水ゲル(重合後の含水ゲル状架橋重合体)を乾燥する場合に特に顕著であった。即ち、従来、吸水性樹脂の製造において、生産性向上、コスト削減、製造工程でのエネルギー削減(CO排出量の削減)等のために重合時の単量体濃度を20重量%、30重量%、40重量%、50重量%と上げることが周知であるが、単量体濃度を上げると一般に得られる吸水性樹脂の大幅な物性低下(吸水倍率の低下や水可溶分の増加)等が見られるという問題があり、重合時の濃度アップは物性を犠牲にするものであった。
そこで、本発明は、高固形分濃度(45重量%以上、更には50重量%以上、特に55重量%以上)を有する粒子状含水ゲルを乾燥して吸水性樹脂を製造する方法において、物性を維持・向上した吸水性樹脂の効率的な乾燥方法を提供する。
本発明者らが上記問題について検討したところ、高い単量体濃度で重合しても重合後の含水ゲルの物性はさほど低下しないが、このような高濃度の含水ゲルを乾燥すると大きな物性低下が見られることが判明した。即ち、重合時の単量体濃度アップによる吸水性樹脂の物性低下の問題は、高濃度重合時の物性低下(重合後の含水ゲルの物性低下、特にゲルの吸水倍率と可溶分)よりも、高濃度乾燥時の物性低下(含水ゲルの乾燥後の物性低下、特に乾燥物の吸水倍率と可溶分、その相関関係である後述のGEX値)の問題が主であることを見出した。
上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討した結果、重合工程で水溶性の過酸化物をラジカル重合開始剤として使用している場合、得られた含水ゲルを高温の熱風で乾燥させる際に、含水ゲル中に残存している水溶性の過酸化物を含水ゲル中の固形分に対して特定量以下に低減することで、上記課題が解決できることを見出した。
つまり、従来、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩を重合開始剤として、ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の重合に使用することは上記特許文献やその実施例に開示されているが、かような過硫酸塩(例えば、過硫酸ナトリウム/90℃における半減期;1.24時間)が重合後の含水ゲル状架橋重合体にその大部分が残存していることが判明した。そして、従来、過硫酸塩を重合に使用する場合、数100〜数1000ppmの過硫酸塩を含む含水ゲル状架橋重合体が乾燥工程に供給され、かかる多量の過硫酸塩を含む含水ゲル状架橋重合体の乾燥によって、乾燥時の物性低下、特に固形分濃度45重量%以上の含水ゲル架橋重合体を160℃以上の温度で乾燥する場合、顕著に物性が低下する事実を見出した。そして、乾燥前の固形分濃度45重量%以上である含水ゲル状架橋重合体中の過硫酸塩含有量を制御することで本発明を完成させた。
即ち、本発明の吸水性樹脂の製造方法は、不飽和単量体を重合させる重合工程と、重合中又は重合後の含水ゲル状架橋重合体を細粒化して得られた固形分濃度45重量%以上の粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥させる乾燥工程と、を含む吸水性樹脂の製造方法であって、上記乾燥工程において、乾燥に供される上記粒子状含水ゲル状架橋重合体中の過酸化物量が、当該粒子状含水ゲル状架橋重合体の固形分重量に対して、100ppm以下であり、上記乾燥工程における上記粒子状含水ゲル状架橋重合体の乾燥温度が、160℃以上であることを特徴とする。
また、本発明は、吸水倍率(CRC)が5[g/g]以上、残存モノマーが200ppm以下、生理食塩水流れ誘導性(SFC)が100[×10−7・cm・s・g−1]以上、過酸化物量が1ppm以下のポリアクリル酸系吸水性樹脂をも提供する。
原料の変更や高額な設備投資を必要とせず、乾燥前に含水ゲル中に残存している水溶性の過酸化物量を制御するという簡便な方法で、固形分濃度が高い含水ゲルから得られる吸水性樹脂の物性の低下を抑えることができる。
図1は、乾燥前の粒子状含水ゲル状架橋重合体中に残存している水溶性の過酸化物量とGEX値との相関を示したグラフである。
以下、本発明に係る吸水性樹脂の製造方法について詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更、実施し得る。具体的には、本発明は下記の各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
〔1〕用語の定義
(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意味する。尚、「水膨潤性」とは、ERT441.2−02で規定するCRC(無加圧下吸水倍率)が必須に5[g/g]以上、好ましくは10〜100[g/g]、更に好ましくは20〜80[g/g]であることをいう。又、「水不溶性」とは、ERT470.2−02で規定するExt(水可溶分)が必須に0〜50重量%、好ましくは0〜30重量%、更に好ましくは0〜20重量%、特に好ましくは0〜10重量%であることをいう。
上記吸水性樹脂は、その用途に応じて適宜設計可能であり、特に限定されるものではないが、カルボキシル基を有する不飽和単量体を架橋重合させた、親水性架橋重合体であることが好ましい。又、全量(100重量%)が重合体である形態に限定されず、上記性能を維持する範囲内において、添加剤等を含んでいてもよい。即ち、吸水性樹脂組成物であっても、本発明では吸水性樹脂と総称する。ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂の含有量は、好ましくは全体に対して70〜99.9重量%であり、より好ましくは80〜99.7重量%であり、更に好ましくは90〜99.5重量%である。吸水性樹脂以外のその他の成分としては、吸水速度や粉末(粒子)の耐衝撃性の観点から水が好ましく、必要により後述の添加剤が含まれる。
(1−2)「ポリアクリル酸(塩)」
本発明における「ポリアクリル酸(塩)」とは、任意にグラフト成分を含み、繰り返し単位として、アクリル酸及び/又はその塩(以下、アクリル酸(塩)と称する)を主成分とする重合体を意味する。
具体的には、重合に用いられる総単量体(内部架橋剤を除く)のうち、アクリル酸(塩)を必須に50〜100モル%を含む重合体をいい、好ましくは70〜100モル%、より好ましくは90〜100モル%、特に好ましくは実質100モル%を含む重合体をいう。又、重合体としてのポリアクリル酸塩は、必須に水溶性塩を含み、好ましくは一価塩、より好ましくはアルカリ金属塩又はアンモニウム塩、更に好ましくはアルカリ金属塩、特に好ましくはナトリウム塩を含む。
(1−3)「EDANA」及び「ERT」
「EDANA」は、欧州不織布工業会(European Disposables and Nonwovens Associations)の略称である。「ERT」は、欧州標準(ほぼ世界標準)である吸水性樹脂の測定方法(EDANA Recommeded Test Method)の略称である。
尚、本発明においては、特に断りのない限り、ERT原本(公知文献:2002年改定)に準拠して、吸水性樹脂等の物性を測定する。
(a)「CRC」(ERT441.2−02)
「CRC」は、Centrifuge Retention Capacity(遠心分離機保持容量)の略称であり、無加圧下吸水倍率(以下、「吸水倍率」と称することもある)を意味する。具体的には、不織布中の0.200gの吸水性樹脂を、大過剰の0.9重量%塩化ナトリウム水溶液に対して30分間自由膨潤させた後、更に遠心分離機で水切りした後の吸水倍率(単位;[g/g])である。
(b)「AAP」(ERT442.2−02)
「AAP」は、Absorption Against Pressureの略称であり、加圧下吸水倍率を意味する。具体的には、0.200gの吸水性樹脂を、0.9重量%塩化ナトリウム水溶液に対して1時間、2.06kPa(0.3psi、21[g/cm])での荷重下で膨潤させた後の吸水倍率(単位;[g/g])である。尚、本発明においては、荷重条件を1時間、4.83kPa(0.7psi、50[g/cm])に変更して測定した。
(c)「Ext」(ERT470.2−02)
「Ext」は、Extractablesの略称であり、水可溶分(水可溶成分量)を意味する。具体的には、0.9重量%塩化ナトリウム水溶液200gに対して、吸水性樹脂1.000gを16時間攪拌した後、溶解したポリマー量をpH滴定で測定した値(単位;重量%)である。
(d)「FSC」(ERT440.2−02)
「FSC」は、Free Swell Capacityの略称であり、自由膨潤倍率を意味する。具体的には、0.9重量%塩化ナトリウム水溶液に吸水性樹脂0.20gを30分浸漬した後、遠心分離機で水切りを行わないで測定した吸水倍率(単位;[g/g])である。
(e)「Residual Monomers」(ERT410.2−02)
「Residual Monomers」は、吸水性樹脂中に残存しているモノマー量を意味する。具体的には、0.9重量%塩化ナトリウム水溶液200mlに吸水性樹脂1.000gを投入し2時間攪拌後、該水溶液に溶出したモノマー量を高速液体クロマトグラフィーで測定した値(単位;ppm)である。
(f)「PSD」(ERT420.2−02)
「PSD」は、Particle Size Distributionの略称であり、篩分級により測定される粒度分布を意味する。尚、重量平均粒子径(D50)及び粒子径分布幅は欧州特許第0349240号明細書7頁25〜43行に記載された「(1) Average Particle Diameter and Distribution of Particle Diameter」と同様の方法で測定する。
(g)その他、EDANAで規定される吸水性樹脂の物性
「pH」(ERT400.2−02):吸水性樹脂のpHを意味する。
「Moisture Content」(ERT430.2−02):吸水性樹脂の含水率を意味する。
「Flow Rate」(ERT450.2−02):吸水性樹脂の流下速度を意味する。
「Density」(ERT460.2−02):吸水性樹脂の嵩比重を意味する。
「Respirable Particles」(ERT480.2−02):吸水性樹脂の呼吸域粉塵を意味する。
「Dust」(ERT490.2−02):吸水性樹脂中に含まれる粉塵を意味する。
(1−4)「通液性」
荷重下又は無荷重下における膨潤ゲルの粒子間を流れる液の流れ性を「通液性」という。この「通液性」の代表的な測定方法として、SFC(Saline Flow Conductivity/生理食塩水流れ誘導性)や、GBP(Gel Bed Permeability/ゲル床透過性)がある。
「SFC(生理食塩水流れ誘導性)」は、荷重0.3psiにおける吸水性樹脂0.9gに対する0.69重量%塩化ナトリウム水溶液の通液性をいう。米国特許第5669894号明細書に記載されたSFC試験方法に準じて測定される。
「GBP」は、荷重下又は自由膨張における吸水性樹脂に対する0.69重量%塩化ナトリウム水溶液の通液性をいう。国際公開第2005/016393号パンフレットに記載されたGBP試験方法に準じて測定される。
(1−5)「色調」
本発明においては、製造直後の吸水性樹脂又はユーザー出荷直後の吸水性樹脂の色調を初期色調といい、通常、工場出荷前の色調で管理する。色調の測定方法については、国際公開第2009/005114号に記載される方法(Lab値、YI値、WB値等)を例示することができる。
又、未使用状態で長期間の保管或いは流通時に生じる吸水性樹脂の色調変化を経時色調という。経時によって吸水性樹脂が着色するため、紙オムツの商品価値の低下となりうる。経時着色は数ヶ月〜数年単位で生じるため、国際公開第2009/005114号に開示される促進試験(高温・高湿下での促進試験)で検証する。
(1−6)その他
本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は、「X以上、Y以下」であることを意味する。又、重量の単位である「t(トン)」は、「Metric ton(メトリック トン)」であることを意味し、更に、特に注釈のない限り、「ppm」は「重量ppm」又は「質量ppm」を意味する。又、本願明細書において、「質量」と「重量」、「質量%」と「重量%」、及び「質量部」と「重量部」は同義語であり、物性等の測定に関しては特に断りがない場合は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%で測定する。更に、「〜酸(塩)」は「〜酸及び/又はその塩」を意味し、「(メタ)アクリル」は「アクリル及び/又はメタクリル」を意味する。
〔2〕吸水性樹脂の製造方法
(2−1)重合工程
本工程は、アクリル酸(塩)を主成分として含む水溶液を重合して、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。
(a)アクリル酸の製法
本発明で得られる吸水性樹脂の原材料として使用されるアクリル酸について、その製造方法は、特に限定されず、例えば、化石原料のプロピレンやプロパンの気相酸化からアクリル酸を得る方法や、非化石原料の天然物油脂から得られるグリセリン等の酸化からアクリル酸を得る方法が挙げられる。上記酸化は、アクロレインを経由或いは単離してもよく、直接酸化することによりアクリル酸を得てもよい。
非化石原料由来のアクリル酸を使用した吸水性樹脂の製造方法については、例えば、国際公開第2006/092272号、同第2006/136336号、同第2008/023040号、同第2007/109128号等に例示されている。又、非化石原料からのアクリル酸の製造方法については、例えば、国際公開第2006/087024号、同第2006/087023号、同第2007/119528号、同第2007/132926号、米国特許出願公開第2007/0129570号等に例示されている。
(b)アクリル酸中の不純物
本発明で使用されるアクリル酸中に含まれる不純物は、色調安定性効果や残存モノマーの観点から、プロトアネモニン及び/又はフルフラールを一定量以下に制御することが好ましく、その含有量は、0〜10ppmが好ましく、0〜5ppmがより好ましく、0〜3ppmが更に好ましく、0〜1ppmが特に好ましい。
又、フルフラール以外のアルデヒド分及び/又はマレイン酸についても、上記と同じ観点から含有量が少ないほどよく、アクリル酸に対して0〜5ppmが好ましく、0〜3ppmがより好ましく、0〜1ppmが更に好ましく、0ppm(検出限界以下)が特に好ましい。尚、フルフラール以外のアルデヒド分として、ベンズアルデヒド、アクロレイン、アセトアルデヒド等が挙げられる。
更に、残存モノマー低減の観点から、アクリル酸ダイマー含有量は0〜500ppmが好ましく、0〜200ppmがより好ましく、0〜100ppmが更に好ましい。
(c)単量体(架橋剤を除く)
本発明で得られる吸水性樹脂は、その原料(単量体)として、アクリル酸(塩)を主成分として含むことが好ましい。即ち、本発明では、不飽和単量体がアクリル酸を主成分とし、吸水性樹脂がポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂であることが好ましい。通常、単量体は、水溶液状態で重合される。該単量体水溶液中の単量体濃度は、通常10〜90重量%であり、好ましくは20〜80重量%、より好ましくは30〜70重量%、更に好ましくは35〜65重量%、特に好ましくは40〜60重量%である。
又、該水溶液の重合により得られる含水ゲルは、吸水性能の観点から、重合体の酸基の少なくとも一部が中和されていることが好ましい。上記中和は、アクリル酸の重合前、重合中又は重合後に行うことができるが、吸水性樹脂の生産性、AAP(加圧下吸水倍率)やSFC(生理食塩水流れ誘導性)の向上等の観点から、アクリル酸の重合前に中和を行うことが好ましい。つまり、中和されたアクリル酸(即ち、アクリル酸の部分中和塩)を単量体として使用することが好ましい。
本発明の効果をより一層顕著なものとするためには、単量体水溶液は、好ましくは中性又は塩基性で、より好ましくは中性で重合される。上記中和の中和率は、特に制限されないが、具体的には、酸基に対して10〜100モル%が好ましく、30〜95モル%がより好ましく、50〜90モル%が更に好ましく、60〜80モル%が特に好ましい。中和率が10モル%未満の場合、特に、CRC(無加圧下吸水倍率)が低下するおそれがある。
下記(i)重合開始剤の項でも示すように、過硫酸塩の塩分解速度は、単量体水溶液のpHに依存し『アルカリ性、酸性、中性』の順に遅くなるため、重合後に過硫酸塩がより残存する、中和型の単量体を用いる場合、特に中性の単量体水溶液を重合する場合に、本発明が好ましく適用される。
又、本発明においてアクリル酸(塩)を主成分として使用する場合、アクリル酸(塩)以外の親水性又は疎水性の不飽和単量体(以下、「他の単量体」と称することもある)を使用することもできる。このような他の単量体としては、特に限定されないが、メタクリル酸、(無水)マレイン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、(メタ)アクリロキシアルカンスルホン酸、N−ビニル−2−ピロリドン、N−ビニルアセトアミド、(メタ)アクリルアミド、N−イソプロピル(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、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ステアリルアクリレートやそれらの塩等が挙げられる。これら他の単量体を使用する場合、その使用量は、得られる吸水性樹脂の吸水特性を損なわない程度であれば、特に限定されないが、全単量体の重量に対して、50重量%以下が好ましく、20重量%以下がより好ましい。
(d)中和の塩
上記単量体としてのアクリル酸又は重合後の重合体(含水ゲル)の中和に用いられる塩基性物質としては、特に限定されないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物や炭酸(水素)ナトリウム、炭酸(水素)カリウム等の炭酸(水素)塩等の一価の塩基性物質が好ましく、水酸化ナトリウムが特に好ましい。又、中和時の温度(中和温度)についても、特に制限されず、10〜100℃が好ましく、30〜90℃がより好ましい。尚、上記以外の中和処理条件等については、国際公開第2004/085496号に開示されている条件等が、本発明に好ましく適用される。
(e)架橋剤(内部架橋剤)
本発明においては、得られる吸水性樹脂の吸水性能の観点から、架橋剤(以下、「内部架橋剤」と称することもある)を使用することが特に好ましい。使用できる内部架橋剤としては、特に限定されず、例えば、アクリル酸との重合性架橋剤や、カルボキシル基との反応性架橋剤、それらを併せ持った架橋剤等を例示することができる。具体的には、重合性架橋剤として、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、(ポリ)エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリオキシエチレン)トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ポリ(メタ)アリロキシアルカン等、分子内に重合性二重結合を少なくとも2個有する化合物が例示できる。又、反応性架橋剤として、エチレングリコールジグリシジルエーテル等のポリグリシジルエーテル;プロパンジオール、グリセリン、ソルビトール等の多価アルコール等の共有結合性架橋剤、アルミニウム塩等の多価金属化合物であるイオン結合性架橋剤が例示できる。これらの中でも、吸水性能の観点から、アクリル酸との重合性架橋剤が好ましく、特に、アクリレート系、アリル系、アクリルアミド系の重合性架橋剤が好適に使用される。これらの内部架橋剤は1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。上記内部架橋剤の使用量は、物性面から、架橋剤を除く上記単量体に対して、0.001〜5モル%が好ましく、0.005〜2モル%がより好ましく、0.01〜1モル%が更に好ましく、0.03〜0.5モル%が特に好ましい。
(f)メトシフェノール類
本発明では、重合安定性の観点から、単量体にメトキシフェノール類が含まれることが好ましく、p−メトキシフェノールが含まれることがより好ましい。メトキシフェノール類の含有量は、単量体(アクリル酸)に対して、1〜250ppmが好ましく、5〜200ppmがより好ましく、10〜160ppmが更に好ましく、20〜100ppmが特に好ましい。
(g)鉄分
本発明では、吸水性樹脂の着色及び重合速度の観点から、単量体又は単量体水溶液中に鉄分として鉄イオンを含むことが好ましい。鉄イオンの含有量は、単量体に対して、Fe換算値で、0〜10ppmが好ましく、0〜5ppmがより好ましく、0を超え5ppm未満が更に好ましく、0.001ppm以上5ppm未満が更により好ましく、0.001〜4ppmが特に好ましく、0.005〜3ppmが最も好ましい。鉄イオン含有量の制御については、国際公開第2006/109842号に記載された手法を採用することができる。尚、Fe換算とは、Feのカウンターイオンの種類に関わらず、測定されたFe(分子量55.845)量をFe(分子量159.69)量に補正することをいう。
上記鉄イオン含有量が上記範囲を逸脱する場合、吸水性樹脂の着色が生じるおそれがある。又、鉄イオン含有量をN.D(検出限界以下;0ppm)とするには、多大なコストが費やされるにもかかわらず、コストに見合った効果が得られないばかりか、レドックス重合等では重合速度が遅くなるおそれもある。
尚、吸水性樹脂中の鉄分については、JIS K 1200−6に記載されたICP発光分光分析方法で測定することができる。ICP発光分光分析装置は、(株)堀場製作所製ULTIMA等が市販されている。
(h)単量体水溶液中のその他の成分
本発明で得られる吸水性樹脂の諸物性を改善するために、任意成分として、上記単量体水溶液に、以下の物質を添加することができる。即ち、澱粉、ポリアクリル酸(塩)、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン等の水溶性樹脂或いは吸水性樹脂を、単量体に対して、例えば0〜50重量%、好ましくは0〜20重量%、より好ましくは0〜10重量%、更に好ましくは0〜3重量%添加することができる。更に、各種の発泡剤(炭酸塩、アゾ化合物、気泡等)、界面活性剤、各種キレート剤、ヒドロキシカルボン酸や還元性無機塩等の添加剤を、単量体に対して、例えば0〜5重量%、好ましくは0〜1重量%添加することができる。
これらの中でも、吸水性樹脂の経時着色の抑制や耐尿性(ゲル劣化防止)の向上を目的とする場合には、キレート剤、ヒドロキシカルボン酸、還元性無機塩が好ましく使用され、キレート剤が特に好ましく使用される。この場合の使用量は、吸水性樹脂に対して、10〜5000ppmが好ましく、10〜1000ppmがより好ましく、50〜1000ppmが更に好ましく、100〜1000ppmが特に好ましい。尚、上記キレート剤、ヒドロキシカルボン酸、還元性無機塩については、国際公開第2009/005114号、欧州特許第2057228号、同第1848758号に開示される化合物が使用される。
(i)重合開始剤
本発明において使用される重合開始剤は、重合形態によって適宜選択され、特に限定されないが、水溶性の過酸化物をラジカル重合開始剤として含みうる。水溶性の過酸化物のラジカル重合開始剤としては、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩;過酸化水素、t−ブチルパーオキシド、メチルエチルケトンパーオキシド等の過酸化物等が挙げられる。中でも、過硫酸塩を使用することが好ましく、過硫酸カリウム(90℃における半減期(τ);1.24時間)、過硫酸アンモニウム(90℃における半減期(τ);0.44時間)が好ましく、過硫酸ナトリウム(90℃における半減期(τ);1.24時間)を使用することがより好ましい。
上記半減期は、溶液のpHや温度に依存し、pHの場合は『アルカリ性、酸性、中性』の順に、温度の場合は『高温、低温』の順に長くなる傾向にある。本発明において、吸水性樹脂の単量体としてアクリル酸ナトリウムを使用する場合、重合開始剤に少量の過硫酸塩を好ましくは下記の範囲内で用いると、塩の種類に関わらず実質的に過硫酸ナトリウムとなる。従って、単量体の塩と重合温度及び時間から、重合開始剤として過硫酸塩の残存時間をある程度予想できる。
例えば、過硫酸ナトリウム又は過硫酸カリウムについて、その半減期(τ)は2100時間(30℃)、499時間(40℃)、130時間(50℃)、36.5時間(60℃)、11.1時間(70℃)、3.59時間(80℃)、1.24時間(90℃)、0.45時間(100℃)である。
本発明者らは、吸水性樹脂の生産量の増大に伴う重合時間の短縮及び重合開始剤の増量によって、重合後の含水ゲルに過硫酸塩がより残存すること、及び、かような乾燥前の含水ゲルに残存する過硫酸塩が吸水性樹脂の物性低下の原因物質、及びかかる問題が45重量%以上の高濃度で顕著であることを見出し、本発明を完成させた。尚、本発明に好適な重合時間は、下記(j)重合方法の項に記載の範囲内であるが、特に限定されない。
これら水溶性の過酸化物のラジカル重合開始剤と他の開始剤を併用することも好ましい態様として挙げることができる。例えば、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)ジヒドロクロリド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]ジヒドロクロリド等のアゾ化合物、ベンゾイン誘導体、ベンジル誘導体、アセトフェノン誘導体、ベンゾフェノン誘導体、アゾ化合物等の光分解型重合開始剤が挙げられる。更に、レドックス系重合開始剤として、上記過硫酸塩や過酸化物に、L−アスコルビン酸、亜硫酸水素ナトリウム等の還元性化合物を組み合わせた系が挙げられる。
更には、放射線、電子線、紫外線等の活性エネルギー線を単量体水溶液に照射することにより重合を行ってもよく、水溶性の過酸化物をラジカル開始剤として併用して重合することが挙げられる。
これらの重合開始剤の使用量(特に過硫酸塩の使用量)は、上記単量体に対して、0.0001〜1モル%が好ましく、0.001〜0.5モル%がより好ましく、0.01〜0.3モル%が更に好ましく、0.03〜0.2モル%が特に好ましい。重合開始剤の使用量を1モル%以下とすると、吸水性樹脂の着色を抑えることができる。又、重合開始剤の使用量を0.0001モル%以上とすると、残存モノマー低減させることができる。尚、過硫酸塩と過硫酸塩以外の重合開始剤を併用する場合、上記範囲内の全重合開始剤量のうち、過硫酸塩が占める割合は25モル%以上が好ましく、50モル%以上がより好ましく、75モル%以上が更に好ましい。
本発明においては、残存モノマーの低減効果やコストの点から、重合開始剤として水溶性の過酸化物を使用する。特に、過硫酸塩が使用され、その使用量は上記単量体(不飽和単量体)の総量に対して、100ppm以上であり、200ppm以上が好ましく、300ppm以上がより好ましく、400ppm以上が更に好ましく、上限は10000ppmである。
(j)重合方法
本発明においては、上記単量体水溶液を重合するに際して、得られる吸水性樹脂の吸水性能や重合制御の容易性等の観点から、通常、水溶液重合又は逆相懸濁重合が採用されるが、好ましくは水溶液重合、より好ましくは連続水溶液重合が採用される。中でも、吸水性樹脂の1ラインあたりの生産量が多い巨大スケールでの製造に好ましく適用される。該生産量として、好ましくは0.5[t/hr]以上であり、より好ましくは1[t/hr]以上、更に好ましくは5[t/hr]以上、特に好ましくは10[t/hr]以上である。又、上記水溶液重合の好ましい形態として、連続ベルト重合(米国特許第4893999号、同第6241928号、米国特許出願公開第2005/215734号等に開示)、連続ニーダー重合、バッチニーダー重合(米国特許第6987151号、同第6710141号等に開示)等が挙げられ、これらの中でも、連続乾燥との連動性や物性の観点から、重合時に固形分量を上昇、特に1重量%以上、上昇させる連続ニーダー重合又は連続ベルト重合が好ましく、連続ベルト重合が特に好ましい。
又、重合時間(重合開始時から重合機から排出されるまでの時間で規定)は適宜決定されるが、好ましくは3時間以内、以下順に1時間以内、0.5時間以内、0.2時間以内が好ましく、0.1時間以内が特に好ましい。上記重合時間が短い程、より顕著に本発明の効果が現れるため、過硫酸塩が残存しやすい重合条件でより好ましく本発明を適用することができる。尚、重合時間の下限については適宜決定されるが、残存モノマー低減等の観点から1秒以上が好ましく、0.5分以上がより好ましく、1分以上が更に好ましい。
又、本発明の重合率は、60モル%以上が好ましく、以下順に80モル%以上、90モル%以上、95モル%以上が好ましく、上限としては100モル%である。しかし、重合率が100モル%の場合、重合時間が長時間となる場合もあり、生産性の観点から、99.9モル%程度、更には99モル%程度であってもよい。
上記連続水溶液重合においては、重合開始温度を好ましくは30℃以上、より好ましくは35℃以上、更に好ましくは40℃以上、特に好ましくは50℃以上(上限は沸点)とする高温開始重合、或いは、単量体濃度を好ましくは35重量%以上、より好ましくは40重量%以上、更に好ましくは45重量%以上(上限は飽和濃度)とする高単量体濃度重合が、最も好ましい一例として例示できる。尚、上記重合開始温度は、単量体水溶液の重合機供給直前の液温で規定されるが、米国特許第6906159号及び同第7091253号等に開示された条件等を、本発明に好ましく適用することができる。
更に本発明においては、得られる吸水性樹脂の物性と乾燥効率の向上という観点から、重合時に水分を蒸発させることが好ましい。即ち、本発明の重合において、より高固形分濃度の含水ゲルを得ればよく、固形分濃度上昇度(「重合後の含水ゲルの固形分濃度」−「重合前の単量体濃度」)が、1重量%以上が好ましく、2〜40重量%がより好ましく、3〜30重量%が更に好ましい。但し、得られる含水ゲルの固形分濃度が80重量%以下であることが好ましい。
又、これらの重合は、空気雰囲気下でも実施可能であるが、着色防止の観点から窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気(例えば、酸素濃度1容積%以下)下で実施することが好ましい。又、単量体又は単量体を含む溶液中の溶存酸素を不活性ガスで置換(例えば、溶存酸素濃度;1[mg/L]未満)した後に、重合することが好ましい。又、減圧、常圧、加圧の何れの圧力下でも実施することができる。重合後の含水ゲルは、重合機から排出された後に、残存モノマーの低減や連続生産でのサイクルタイムの調整等で、必要により貯蔵(熟成)されてもよい。
(2−2)ゲル細粒化工程(ゲル解砕工程)
本工程は、上記重合工程で得られた含水ゲルを必要により貯蔵(熟成)した後に解砕し、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。
上記重合工程で得られた含水ゲルは、そのまま乾燥を行ってもよいが、課題を解決するために、好ましくは重合時又は重合後、必要により解砕機(ニーダー、ミートチョパー、カッターミル等)を用いてゲル解砕され粒子状にされる。即ち、連続ベルト重合又は連続ニーダー重合による重合工程と乾燥工程との間に、含水ゲルの細粒化(以下、「ゲル解砕」とも称する)工程を更に含んでもよい。尚、逆相懸濁重合等、重合時に溶媒中での分散よってゲルが細粒化されている場合も、本発明の細粒化(重合工程の細粒化)に含むものとするが、好適には解砕機を用いて解砕される。
ゲル解砕時の含水ゲルの温度は、物性の面から、40〜95℃に保温或いは加熱されるのが好ましく、50〜80℃がより好ましい。又、ゲル解砕時又は解砕後の粒子状含水ゲルの樹脂固形分(固形分濃度)は、特に限定されるものではないが、物性の面から、45重量%以上が好ましく、45〜80重量%がより好ましく、55〜80重量%が好ましく、下記(2−3)の範囲が更により好ましい。尚、ゲル解砕工程においては、解砕効率向上を目的に、必要に応じて、水、多価アルコール、水と多価アルコールとの混合液、多価金属水溶液、或いはこれらの蒸気等を添加してもよい。又、本願発明を好ましく適用できる高固形分濃度(例えば、上述した45〜80重量%)の含水ゲルを解砕する場合には、解砕装置内を通風、好ましくは乾燥空気を通気してもよい。
ゲル解砕後の粒子状含水ゲルの重量平均粒子径(D50)は、落下飛散率を低く制御する観点から、0.2〜4mmが好ましく、0.3〜3mmがより好ましく、0.5〜2mmが更に好ましい。上記粒子状含水ゲルの重量平均粒子径(D50)が、上記範囲内となることで、乾燥が効率的に行われるため好ましい。又、5mm以上の粒径を有する粒子状含水ゲルの割合は、粒子状含水ゲル全体の0〜10重量%が好ましく、0〜5重量%がより好ましい。
尚、上記粒子状含水ゲルの粒子径は、粉砕工程後の吸水性樹脂の粒子径と同様に、特定の目開きの篩で分級することによって求められる。又、重量平均粒子径(D50)についても、同様に求めることができる。但し、上記粒子状含水ゲルの分級操作が、乾式の分級方法では凝集等により測定が困難である場合は、特開2000−63527号公報の段落〔0091〕に記載の、湿式の分級方法を用いて測定する。
尚、含水ゲルの細粒化は、一般的に上記温度で短時間(例えば、10分以内、更には1分以内)で行われるため、過硫酸塩の半減期(例えば、過硫酸ナトリウムの90℃における半減期(τ);1.24時間)を考慮すると、重合後の含水ゲルに残留している過硫酸塩量とほぼ同量の過硫酸塩が残存した状態で、粒子状含水ゲルが乾燥される。
(2−3)乾燥工程
本発明は以下で説明するように、乾燥工程に特徴を有する。即ち、本発明は、高固形分濃度(45重量%以上)の粒子状含水ゲルを乾燥して吸水性樹脂を製造する方法において、乾燥方法として、高温(160℃以上)で熱風乾燥させる時点で、含水ゲル中に残存している過酸化物(水溶性過酸化物、特に過硫酸塩)を100ppm以下に制御するという点が特徴である。このような乾燥工程を経ることにより、含水ゲルの物性低下を抑制でき、特に、水可溶分が少なく通液性が向上した吸水性樹脂を得ることができる。
(a)含水ゲルの固形分濃度
ここで、粒子状含水ゲルの固形分濃度は45重量%以上、更には、50重量%以上、55重量%以上、60重量%以上の順に好ましい。上限は含水ゲルである限り限定されないが、80重量%以下、更には75重量%以下、特に70重量%以下である。上記固形分濃度が45重量%よりも低いと、生産性が低いだけでなく、本発明の特有の効果が現れ難い。又、固形分濃度が過度に高いと、吸水倍率等の物性が低下することがある。乾燥される粒子状含水ゲルの固形分濃度は、これら上下限の範囲内で目的物性や生産量等に応じて適宜設定できるが、例えば、45〜80重量%、45〜75重量%、50〜75重量%、55〜80重量%、50〜70重量%、55〜70重量%、60〜70重量%の順に好ましい。固形分濃度は重合時の単量体の濃度や重合時の蒸発、更に必要により重合中や重合後に添加する添加剤で決定されるが、添加剤として吸水性樹脂微粉やその含水ゲルを添加して固形分濃度を制御してもよい。
(b)過酸化物量
本発明では乾燥工程において、上記の含水ゲルが高温の熱風に接触する際の含水ゲル中に残存している水溶性の過酸化物量を低く制御することに特徴がある。詳しくは、高温の熱風に接触する際の含水ゲル中の固形分に対する過酸化物量を100ppm以下、好ましくは95ppm以下、以下順に90ppm以下、85ppm以下、80ppm以下、75pmm以下、70ppm以下に制御しておくことに特徴がある。ここで、高温の熱風とは、160℃以上を指す。即ち、本発明の乾燥工程は、乾燥に供される粒子状含水ゲル中の過酸化物量が、当該粒子状含水ゲルの固形分重量に対して、100ppm以下であり、かつ、乾燥工程における上記粒子状含水ゲルの乾燥温度が、160℃以上であることを特徴とする。加熱温度が160℃よりも低い場合には、乾燥速度が遅くなるため、未乾燥物の発生や乾燥到達固形分の低下による吸水倍率の低下等が起こり易くなる。これらを避けるために乾燥時間を長くすると、設備が巨大になってしまうため、一般的に、乾燥は160℃以上、好ましくは170℃以上、より好ましくは180℃以上の高温条件下で好適に行われる。尚、過酸化物量の下限は、特に制限は無いが、残存モノマー低減の観点から、1ppm以上である。
従来、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩を重合開始剤として、ポリアクリル酸系吸水性樹脂の重合に使用することは上記特許文献やその実施例に開示されているが、かような過硫酸塩が重合後の含水ゲルにその大部分が残存している事実が、本発明者らの研究により判明した。そして、従来、過硫酸塩を重合に使用する場合、数100〜数1000ppmの過硫酸塩を含む含水ゲルが乾燥工程に供給されていたが、本発明者らは、かかる多量の過硫酸塩を含む含水ゲルの乾燥によって物性が低下し、特に固形分濃度45重量%以上の含水ゲルを160℃以上の温度で乾燥する場合に、顕著に物性が低下する事実を見出した。そこで、固形分濃度45重量%以上の含水ゲルを乾燥する際に、乾燥前の過硫酸塩含有量を制御することで本発明を完成させた。
近年、吸水性樹脂はその生産量が増大するにつれ、その重合技術の進歩や生産性向上の目的と相まって、その重合時間が短くなる傾向(特に3時間以内、1時間以内、0.5時間以内、0.2時間以内、0.1時間以内)にある。そして、重合時間の短縮(或いは、生産性向上のための重合開始剤増量)の結果、過硫酸塩(例えば、90℃における半減期(τ);1.24時間の過硫酸ナトリウム)が重合後の含水ゲルにより残存する傾向にある。更に、生産性向上のための重合濃度向上(特に45重量%以上)によって、乾燥後の吸水性樹脂の物性が低下する問題もある。このような諸問題を解決するために、本発明者は濃度45重量%で温度160℃以上の乾燥では含水ゲル中の過硫酸塩が重要であること、更にその臨界性が100ppmに存在することを見出し、過硫酸塩を100ppm以下に制御する点に特徴を有する本発明を完成させた。
上記(i)重合開始剤の項で記載したように、例えば、過硫酸ナトリウム又は過硫酸カリウムについて、その半減期(τ)は2100時間(30℃)、499時間(40℃)、130時間(50℃)、36.5時間(60℃)、11.1時間(70℃)、3.59時間(80℃)、1.24時間(90℃)、0.45時間(100℃)である。上記半減期と近年の吸水性樹脂の生産性向上(重合時間の短縮や重合開始剤の増量)によって、重合開始剤の残存量が増加することが見出された。
又、上記特許文献28には、乾燥前の含水ゲル中の熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数を40〜100とし、100〜250℃で乾燥する方法が開示されているが、上記「熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数」とは、以下の数式1から求められる値をいう。
Figure 2011090130
具体的に上記特許文献28の表1には、特許文献28の方法で各々規定される、上記数式1におけるCmが40.7〜41.4質量%、Ciが0.0504〜0.0826質量%(固形分量あたり1223〜2005ppm)である実施例1〜5と、Cmが40.8〜41.4質量%、Ciが0.0319〜0.0403質量%(固形分量あたり782〜934ppm)である比較例1〜4が開示され、更に同文献の表4には、Cmが50.75質量%(実施例6)及び51.02質量%(実施例7)、Ciが0.0698質量%(固形分量あたり1375ppm)(実施例6)及び0.0851質量%(固形分量あたり1667ppm)(実施例7)である実施例6及び7と、Cmが50.35質量%、Ciが0.0495質量%(計算値で固形分量あたり約983ppm)である比較例5が開示される。
特許文献28に開示された技術は、従来技術や特許文献28の比較例1〜5(固形分量あたりの過硫酸塩;約782〜983ppm)と比較して、乾燥時の過硫酸塩等の熱分解性ラジカル重合開始剤を増量(特許文献28の実施例1〜7(固形分量あたりの過硫酸塩;約1233〜2005ppm))させることで、含水ゲル中の熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数を40〜100とするが、着色等の問題を有している。そこで、本発明は、特許文献28等に対して、固形分濃度45重量%以上、好ましくは50重量%以上、より好ましくは55重量%以上、更に好ましくは60重量%以上の含水ゲルを乾燥する際、含水ゲル中の過硫酸塩を100ppm(固形分量あたり100ppm)以下に低減することで、更にGEX(吸水倍率と可溶分との関係)等を改善した。
尚、乾燥前の含水ゲル中の過硫酸塩を100ppm(本発明の上限値)、固形分濃度を70重量%として、上記特許文献28の熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数を算出すると、7.5となる。このように本発明は固形分濃度45重量%以上において、特許文献28の範囲(40〜100)から大きく外れる範囲で、特許文献28の実施例に開示されていない高濃度(例えば、実施例1〜4の70重量%)の含水ゲルを乾燥する場合でも、高い物性(GEX値)の維持を可能とした。尚、本発明の好適な固形分濃度は上記の通りである。
乾燥方法としては、加熱乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、赤外線乾燥、マイクロ波乾燥、ドラムドライヤー乾燥、疎水性有機溶媒との共沸脱水、高温の水蒸気を用いた高湿乾燥等、種々の方法を採用することができる。
乾燥重合体の形状は通常、粒子状又はその凝集物(例えば、ブロック状の物;特許文献1)であるが、特に限定されない。乾燥工程で得られた凝集物はそのまま粉砕工程に供給されてもよいが、乾燥機出口で必要により解砕(凝集をほぐし)されて、再度、重量平均粒子径(D50)で0.1〜10mm、好ましくは0.5〜5mm、更に好ましくは1〜3mmの粒子状とされ、次の工程、特に粉砕工程に供給される。
(c)過酸化物量の低減手法
含水ゲル中の水溶性過酸化物量の低減手法としては、特に制限はないが、例えば、(1)乾燥工程の前に、粒子状含水ゲル状架橋重合体を160℃未満の温度で加熱処理する方法;(2)上記(1)の加熱処理を、更に、露点50〜100℃の雰囲気下で行う方法;等の過酸化物低減工程を、乾燥工程前に行う方法が挙げられる。
上記(1)の具体的条件としては、加熱温度(乾燥機の設定温度又は熱風温度)を80〜150℃、好ましくは80〜140℃、より好ましくは100〜130℃、更に好ましくは100〜120℃に設定することである。又、加熱処理に熱風乾燥機を使用する際は、風向きはベルト面に対し上向き、下向き、又は水平とすることができるが、特に、前半は上向きで後半は下向きとすることが粒子状含水ゲルの状態が均一となりやすいために好ましい。加熱時間は加熱温度や過酸化物の使用量にもよるが、通常1分〜1時間程度、好ましくは5分〜1時間程度、更に好ましくは5〜30分程度である。尚、本発明における乾燥工程は、上記の過酸化物低減方法(1)又は(2)の方法の後に行えばよい。当該方法(1)は、残存モノマー量については後述の方法(2)よりも低減しにくいが、固形分濃度は方法(2)よりも上昇し易い。
上記(2)の具体的条件としては、加熱温度を80〜150℃、好ましくは80〜140℃、より好ましくは100〜130℃、更に好ましくは100〜120℃に設定し、かつ、乾燥室内の露点を50〜100℃、好ましくは65〜95℃に設定することである。又、加熱処理に熱風乾燥機を使用する際は、風向きはベルト面に対し上向き、下向き、又は水平とすることができるが、特に、前半は上向きで後半は下向きとすることが粒子状含水ゲルの状態が均一となりやすいために好ましい。加熱時間は加熱温度や過酸化物の使用量にもよるが、通常1分〜1時間程度、好ましくは5分〜1時間程度、更に好ましくは5〜30分程度である。尚、本発明における乾燥工程は当該(1)の方法の後に行えばよい。当該方法(2)は、上記(1)より過酸化物量の低減に要する時間が短縮できるとともに、残存モノマーの低減も行うことができるという点で有利である。
尚、以上の過酸化物低減工程は、後述の乾燥工程で使用する乾燥機と同一のものを用いて行われてもよいし、別の装置で行われてももちろんよいが、好ましい形態としては、例えば多室構造を有する連続通気ベルト乾燥機を用いて、1室を過酸化物低減工程の処理条件に設定し、2室(場合によっては、3室、4室・・・)以降を乾燥工程の条件に設定し、過酸化物低減工程と乾燥工程とを連続して行う形態が挙げられる。
上述の重合工程において、過酸化物の使用量が上記単量体に対して100ppmを越える範囲で使用され、かつ、重合後の過酸化物の残存量が100ppmを超える場合、以上のような過酸化物低減工程を行うことにより、乾燥工程に供する含水ゲル中の過酸化物量を100ppm以下に制御する必要がある。尚、従来、過酸化物、特に過硫酸塩を使用する吸水性樹脂の重合方法は上記(j)に記載の米国特許や上記特許文献1〜27等により周知である。本発明者らの研究によると、重合に使用した過酸化物(特に過硫酸塩)のほとんどが重合後の含水ゲルに残存する事実(重合後の過酸化物(特に過硫酸塩)の残存率は重合条件によっても異なるが、一般には80%以上、更には90%以上である)、及び、その残存する過酸化物(特に過硫酸塩)が乾燥後の物性や表面架橋後の通液性等に影響を与える、ということが判明した。更に、含水ゲル中の過酸化物を制御すること、及びその制御方法を見出し、本発明を完成させたのである。
(d)乾燥工程における乾燥温度
本発明の乾燥工程では、乾燥温度(乾燥機の熱媒温度、特に熱風温度)は160℃以上であり、好ましくは160〜200℃、より好ましくは170〜190℃である。粒子状含水ゲルを、乾燥温度160℃以上で乾燥することにより、乾燥時間の短縮と得られる乾燥物の着色低減の両立が可能となる。ここで、乾燥温度とは、オイルや蒸気を熱媒として伝導伝熱による直接加熱を行う場合(例えばドラム乾燥機等)には、用いる熱媒の温度で規定される。特に、オイルや蒸気を熱媒として空気等を介在させて材料を間接的に加熱する場合(例えば、通気バンド乾燥機等)には、雰囲気温度で規定される。一方、電子線の照射等熱媒を使用せずに乾燥する場合には、材料(乾燥中の含水ゲル状重合体)の温度で規定される。
(e)乾燥工程における乾燥時間
乾燥時間は粒子状含水ゲルの表面積、含水率、及び乾燥機の種類に依存し、目的とする含水率になるよう選択すればよいが、例えば、10〜120分間であり、好ましくは20〜60分間である。尚、乾燥工程で含水ゲル状架橋重合体を乾燥して得られる乾燥物は、その後、粉砕及び分級される。
(f)乾燥工程における露点
乾燥工程において含水ゲル状架橋重合体と接触する気体の露点は特に制限はないが、好ましくは、70℃未満、好ましくは−5〜70℃未満、特に好ましくは0〜60℃とする。又、乾燥工程において、露点を向上させたのち露点を低下させることも、好ましい。この範囲に制御することで乾燥速度を向上することができる。尚、本発明は、粒子状の含水ゲルは乾燥工程において、水蒸気−空気混合気体及び/又は水蒸気−不活性気体又は水蒸気を接触させることが好ましい。
(g)乾燥工程における乾燥装置
本発明で用いられる乾燥装置(乾燥機)としては、特に制限はなく、伝導伝熱型乾燥機、輻射伝熱型乾燥機、熱風伝熱型乾燥機、誘電加熱乾燥機等の1種又は2種以上が使用されうる。乾燥の速さより熱風伝熱型乾燥機(以下、熱風乾燥機という。)が好ましい。熱風乾燥機としては、通気ベルト(バンド)式、通気回路式、通気竪型式、並行流ベルト(バンド)式、通気トンネル式、通気溝型攪拌式、流動層式、気流式、噴霧式等の乾燥装置が挙げられ、本発明では物性制御の点や、上述の過酸化物低減工程と乾燥工程を連続して行うことができるという点においても通気ベルト式が好ましい。他の乾燥機を併用してもよいが、好ましくは、通気ベルト式乾燥機(ベルト式乾燥機)のみで乾燥される。
乾燥機として、熱風乾燥機を使用する場合、乾燥温度170〜230℃の領域において、該熱風乾燥機中の風速を3.0[m/s]以下に制御する。又、好ましくは、ベルト上の熱風が上向き、下向き、又はその併用で行われる。中でも下向きが好ましく、特に前半が上向き(Up−Flow)、後半が下向き(Down−Flow)で行われることで、より均一な乾燥が達成できる。
通気ベルト式乾燥機を使用する場合の、通気ベルト長さが5〜100m、更には10〜70m、特に20〜60mの範囲である巨大スケールの連続乾燥が好適に使用されうる。ベルトの幅も制限されないが、通常0.5〜10m、更には1〜5mで適宜決定される。尚、幅方向と長さ方向の比も目的に応じて決めればよいが、幅より進行方向が長く、通常3〜500倍、更には5〜100倍で適宜決定される。
又、通気ベルト式乾燥機を使用する場合の、通気ベルトとしては、金網(例;目開き1000〜45μm)やパンチングメタルが例示されるが、好ましくはパンチングメタルが使用される。パンチングメタルの孔の形状は広く適用でき、例えば、丸穴、楕円穴、角穴、六角穴、長丸穴、長角穴、菱穴、十字穴やそれら複数形状の併用が例示でき、それら穴の並びも千鳥状でもよく並列状でもよい。更に、孔がルーバー(出窓)等立体的に形成されてもよいが、好ましくは平面構造の孔を有する。又、ピッチ方向はベルトの進行方向に縦でもよく、横でもよく、斜めでもよく、それらが併用されてもよい。尚、パンチングメタルの孔の大きさや開孔率は後述する。
(h)従来の乾燥方法
従来、通液性向上方法は上記特許文献1〜27等に数多く提案されていたが、なんら過硫酸塩量に着目するものでなかった。本発明者は高濃度(45重量%以上)の乾燥工程において、含水ゲルの固形分濃度、過硫酸塩量及び加熱温度が寄与することを見出し、本発明を完成させた。上記特許文献1〜27はなんら本発明を示唆しない。
(2−4)粉砕工程、分級工程
本工程は、上記乾燥工程で得られた乾燥物を、粉砕・分級して、吸水性樹脂を得る工程である。
本工程においては、上記乾燥工程で得られた乾燥物をそのまま乾燥粉末として使用することもできるが、後述する表面架橋工程での物性向上のため、特定の粒度に制御することが好ましい。尚、粒度制御は、本粉砕工程、分級工程に限らず、重合工程(特に逆相懸濁重合)、微粉回収工程、造粒工程等で適宜実施することができる。以下、粒度は標準篩(JIS Z8801−1(2000))で規定する。
本粉砕工程で使用できる粉砕機は、特に限定されず、従来から知られている粉砕機を使用することができる。具体的には、ロールミル、ハンマーミル、ロールグラニュレーター、ジョークラッシャー、ジャイレクトリークラッシャー、コーンクラッシャー、ロールクラッシャー、カッターミル等を挙げることができる。これらの中でも、粒度制御の観点から、多段のロールミル又はロールグラニュレーターを使用することが好ましい。
又、分級工程においては、篩分級や気流分級等、各種の分級機を使用することができる。尚、後述の表面架橋を行う場合、分級工程(第1分級工程)は表面架橋工程前に好ましく行われ、更に好ましくは、表面架橋工程後にも分級工程(第2分級工程)が設けられる。
本工程で得られる吸水性樹脂の物性向上の観点から、以下の粒度となるように制御することが好ましい。即ち、表面架橋前の吸水性樹脂の重量平均粒子径(D50)は、200〜600μmが好ましく、200〜550μmがより好ましく、250〜500μmが更に好ましく、350〜450μmが特に好ましい。又、目開き150μmの篩(JIS標準篩)を通過する微細な粒子の割合が、吸水性樹脂全体に対して、0〜5重量%が好ましく、0〜3重量%がより好ましく、0〜1重量%が更に好ましい。又、目開き850μmの篩(JIS標準篩)を通過しない巨大な粒子の割合が、吸水性樹脂全体に対して、0〜5重量%が好ましく、0〜3重量%がより好ましく、0〜1重量%が更に好ましい。更に、吸水性樹脂の粒度分布の対数標準偏差(σζ)は、0.20〜0.40が好ましく、0.25〜0.37がより好ましく、0.25〜0.35が更に好ましい。かかる粒度は、表面架橋後の吸水性樹脂や最終製品の吸水性樹脂にも適用でき、必要により粒度調整のために表面架橋後にも分級工程(第2分級工程)や造粒工程を設けてもよい。尚、これらの粒度は標準篩分級で規定でき、国際公開第2004/69915号の方法(重量平均粒子径,σζ)を参照して、EDANA−ERT420.2.−02(Particle Size Disribution)に開示された方法で測定される。
一般的に粒度分布を狭くする、即ち、粒度の上下限を近づけるように制御すると、吸水性樹脂の着色が色調測定上目立つが、本発明では、このような色調の問題が発生せず、好ましい。従って、本発明で得られる吸水性樹脂の粒度分布は、150〜850μmの粒子径を有する割合が95重量%以上であり、好ましくは98重量%以上(上限が100重量%)である。
(2−5)表面架橋工程
本発明では、吸水性能向上ため、上記乾燥工程で得られた乾燥された吸水性樹脂を表面架橋する表面架橋工程を更に含むことが好ましい。以下の表面架橋工程を経ることにより、通液性(SFC)が向上した(SFCが10[×10−7・cm・s・g−1]以上である)吸水性樹脂を得ることができる。以下に、本発明の表面架橋工程の好ましい形態を説明する。
本発明では共有結合性表面架橋剤が使用され、好ましくは、共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤が併用される。共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤を併用する場合、共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤は、反応系内に同時に添加されてもよいし、順次添加されてもよい。また、順次添加される場合は、添加の順番も特に制限はなく、共有結合性表面架橋剤が添加された後にイオン結合性表面架橋剤が添加されてもよいし、イオン結合性表面架橋剤が添加された後にイオン結合性表面架橋剤が添加されてもよい。更に、共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤を併用する場合、共有結合性表面架橋剤による架橋反応と、イオン結合性表面架橋による架橋反応とは、同時に行われてもよいし、別途独立して行われてもよい。
(共有結合性表面架橋剤)
本発明で用いることのできる表面架橋剤としては、種々の有機又は無機の架橋剤が例示されうるが、共有結合性表面架橋剤(有機表面架橋剤)が好ましく使用されうる。物性面で好ましくは、共有結合性表面架橋剤として、多価アルコール化合物、エポキシ化合物、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、(モノ、ジ、又はポリ)オキサゾリジノン化合物、アルキレンカーボネート化合物であり、特に高温での反応が必要な、多価アルコール化合物、アルキレンカーボネート化合物、オキサゾリジノン化合物からなる脱水反応性架橋剤が使用できる。脱水反応性架橋剤を使用しない場合、より具体的には、米国特許第6228930号、同第6071976号、同第6254990号などに例示されている化合物を挙げることができる。例えば、モノ,ジ,トリ,又はテトラ−プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、グリセリン、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、ソルビトール等多価アルコール化合物;エチレングリコールジグリシジルエーテルやグリシドール等のエポキシ化合物;エチレンカボネート等のアルキレンカーボネート化合物;オキセタン化合物;2−イミダゾリジノン等の環状尿素化合物等が挙げられる。
表面架橋剤の使用量は吸水性樹脂100重量部に0.001〜10重量部、0.01〜5重量部程度に適宜決定される。表面架橋剤に合わせて水が好ましく使用される。使用される水の量は吸水性樹脂100重量部に0.5〜20重量部、より好ましくは0.5〜10重量部の範囲である。また、共有結合性表面架橋剤とイオン結合性表面架橋剤を併用する場合、上記範囲でそれぞれが使用される。
更に、水に加えて表面架橋剤に合わせて親水性有機溶媒を使用してもよく、その量は、吸水性樹脂粒子100重量部に対し、0〜10重量部、好ましくは0〜5重量部の範囲である。
吸水性樹脂粒子への架橋剤溶液の混合に際し、本発明の効果を妨げない範囲、例えば、0〜10重量部以下、好ましくは0〜5重量部、より好ましくは0〜1重量部で、水不溶性微粒子粉体や界面活性剤を共存させてもよい。用いられる界面活性剤やその使用量は米国特許第7473739号に例示されている。
表面架橋剤を混合後の吸水性樹脂は好ましくは加熱処理され、必要によりその後、冷却処理される。加熱温度は70〜300℃、好ましくは120〜250℃、より好ましくは150〜250℃であり、加熱時間は、好ましくは1分〜2時間の範囲である。加熱処理は、通常の乾燥機又は加熱炉で行うことができる。尚、これらの表面架橋方法は、欧州特許第0349240号、同第0605150号、同第0450923号、同第0812873号、同第0450924号、同第0668080号、同第1770113号、特開平7−242709号、同平7−224204号、米国特許第5409771号、同第5597873号、同第5385983号、同第5610220号、同第5633316号、5672633号、同第5462972号、国際公開第99/42494号、同第99/43720号、同第99/42496号等に記載の表面架橋方法も本発明に適用できる。尚、欧州特許第1770113号等のように乾燥後の表面架橋において、過硫酸塩を使用する技術では着色することもあるが、本発明のように、乾燥前に過硫酸塩を100ppm以下とする場合、かかる着色の問題もない。
本発明では、従来着色が激しかった高温加熱や空気(熱風)での乾燥でも、高度に白色の吸水性樹脂を提供する。
特に衛生材料(特に紙オムツ)を目的とする場合、表面架橋処理によって、後述の加圧下吸水倍率(AAP)を後述の範囲、好ましくは20[g/g]以上に高めれば良い。
(イオン結合性表面架橋剤)
また、上記有機表面架橋剤以外に無機表面架橋剤、好ましくはアルミニウムカチオンを使用しても通液性等を向上させてもよい。使用される無機表面架橋剤は2価以上、好ましくは3価ないし4価値の多価金属の塩(有機塩ないし無機塩)ないし水酸化物が例示できる。使用できる多価金属としてはアルミニウム、ジルコニウム等が挙げられ、乳酸アルミニムや硫酸アルミニムが挙げられる。これら無機表面架橋は有機表面架橋剤と同時または別途に使用される。多価金属による表面架橋は国際公開第2007/121937号、同第2008/092843号、同第2008/092842号、米国特許第7157141号、同第6605673号、同第6620889号、米国特許出願公開第2005/0288182号、同第2005/0070671号、同第2007/0106013号、同第2006/0073969号に示されている。尚、後述の実施例にあるように、アルミニウムカチオンによる表面架橋をアルミ表面処理と称することもある。
また、上記有機表面架橋剤以外にポリアミンポリマー、特に重量平均分子量5000〜100万程度を同時または別途で使用しても通液性などを向上させてもよい。使用されるポリアミンポリマーは、例えば、米国特許第7098284号、国際公開第2006/082188号、同第2006/082189号、同第2006/082197号、同第2006/111402号、同第2006/111403号、同第2006/111404号等に例示されている。
以上のように、乾燥工程後に、表面架橋工程を行うことにより、通液性(SFC)を向上させることができる。尚、表面架橋後の吸水倍率(CRC)が高すぎるとSFCが低下する傾向にあり、よって、CRCが50[g/g]以下が好ましく、45[g/g]以下がより好ましく、40[g/g]以下、特に35[g/g]以下にまで表面架橋でCRCを低下せしめてなる。この際にCRCの低下率は表面架橋前後で0.1〜0.9倍、更には0.5〜0.85倍、特に0.6〜0.8倍に表面架橋でCRCを低下させればよい。CRCの下限値は上記範囲であり、10[g/g]以上、更には20[g/g]以上、25[g/g]以上とされる。
(従来の通液性向上方法)
近年、吸水性樹脂の主用途である紙オムツの高性能化に伴い、吸水性樹脂も多くの機能を求められている。具体的には、単なる吸水倍率の高さに限らず、ゲル強度、水可溶成分、吸水速度、加圧下吸水倍率、通液性、粒度分布、耐尿性、抗菌性、耐衝撃性、粉体流動性、消臭性、耐着色性、低粉塵等、多くの物性が吸水性樹脂に要求されている。そのため、多くの表面架橋技術、添加剤、製造工程の変更等、数多くの提案がなされている。
上述した物性の中でも、通液性は、近年、紙オムツ中での吸水性樹脂の使用量が増加(例えば50重量%以上)するに従い、より重要な因子と見られるようになっている。そして、SFCやGBP等の荷重下通液性や無荷重下通液性の改善方法や改良技術が多く提案されている。
又、上記物性において、通液性を含めた複数のパラメータの組み合わせも多く提案され、耐衝撃性(FI)を規定する技術(米国特許第6414214号)、吸水速度(FSR/Vortex)等を規定する技術(米国特許第6849665号)、液体拡散性能(SFC)及び60分後の芯吸収量(DA60)の積を規定する技術(米国特許出願公開第2008/125533号)が知られている。
更に、SFCやGBP等の通液性向上方法として、重合前又は重合中に石膏を添加する技術(米国特許出願公開第2007/293617号)、スペーサーを添加する技術(米国特許出願公開第2002/0128618号)、5〜17[モル/kg]のプロトン化可能な窒素原子を有する窒素含有ポリマーを使用する技術(米国特許出願公開第2005/0245684号)、ポリアミン及び多価金属イオン又は多価陰イオンを使用する技術(国際公開第2006/082197号)、pH6未満の吸水性樹脂をポリアミンで被覆する技術(国際公開第2006/074816号)、ポリアンモニウムカーボネートを使用する技術(国際公開第2006/082189号)が知られている。この他、可溶分3重量%以上でポリアミンを使用する技術、吸い上げ指数(WI)やゲル強度を規定する技術(国際公開第2008/025652号、同第2008/025656号、同第2008/025655号)が知られている。又、着色及び通液性を改善するために、重合時の重合禁止剤であるメトキシフェノールを制御した上で多価金属塩を使用する技術(国際公開第2008/092843号、国際公開第2008/092842号)も知られている。更に、粒子を研磨して嵩比重を高く制御する技術する技術(米国特許第6562879号)も知られている。
従来、通液性向上方法は上記特許文献28〜46等に数多く提案されていたが、なんら乾燥工程に着目するものはなかった。しかし、本発明は通液性の向上に特定の乾燥工程、特に含水ゲルの固形分濃度と過硫酸塩量が寄与することを見出し、本発明を完成させた。上記特許文献28〜46はなんら本発明を示唆しない。
(2−6)微粉リサイクル工程
本工程は、乾燥工程および必要により粉砕工程、分級工程で発生する微粉(特に粒子径150μm以下の粉体を70重量%以上含む微粉)を分離した後、そのままの状態で、或いは水和して重合工程や乾燥工程にリサイクルする工程をいい、米国特許出願公開第2006/247351号や米国特許第6228930号に記載された方法を適用することができる。微粉をリサイクルすることで、吸水性樹脂の粒度を制御することができるとともに、微粉の添加によって、高固形分濃度を容易に達成することができ、更に、乾燥機の通気ベルトから、乾燥後の吸水性樹脂を容易に剥離することができるので好ましい。
(2−7)その他の工程
上記工程以外に、必要により、蒸発モノマーのリサイクル工程、造粒工程、微粉除去工程等を設けてもよい。更に、経時色調の安定性効果やゲル劣化防止等のために、上記各工程の何れか、又は全部に、上記キレート剤、ヒドロキシカルボン酸、還元性無機塩等の添加剤を必要により使用してもよい。
上記多価金属塩の表面処理工程は、高い加圧下通液性(SFCやGBP)を求める場合に適用され、例えば、米国特許第6605673号、同第6620889号に記載された製法が必要に応じて適用される。
〔3〕吸水性樹脂の物性
本発明の吸水性樹脂は、ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂を主成分とし、衛生用品、特に紙オムツへの使用を目的とする場合、上述した重合方法や表面架橋方法等によって得られる。更に得られる吸水性樹脂は、下記(3−1)〜(3−7)に挙げられた各物性のうち、少なくとも1以上の物性を制御することが好ましく、更にはAAPを含めた2以上、特に3以上の物性を制御することが好ましい。吸水性樹脂が下記の各物性を満たさない場合、吸水性樹脂濃度が40重量%以上の高濃度オムツでは十分な性能を発揮しないおそれがある。
(3−1)初期色調
本発明で得られる吸水性樹脂は、紙オムツ等の衛生用品の原材料として使用するため、白色粉末であることが好ましい。従って、分光式色差計によるハンターLab表色系測定において、初期色調として、L値(Lightness/明度)が、85以上が好ましく、87以上がより好ましく、89以上が更に好ましい。又、a値は、−2〜2が好ましく、−1〜1がより好ましく、−0.5〜1が更に好ましく、0〜1が特に好ましい。更に、b値は、−5〜10が好ましく、−5〜9がより好ましく、−4〜8が更に好ましく、−1〜7が特に好ましい。尚、上記L値の上限は100であるが、85以上を示せば、衛生用品等において色調による問題が発生しない。又、YI(Yellow Index)値は、10以下が好ましく、8以下が好ましく、6以下がより好ましい。更に、WB(White Balance)値は、70以上が好ましく、75以上がより好ましく、77以上が更に好ましい。
上記初期色調とは、製造後の吸水性樹脂の色調を指し、一般的には工場出荷前に測定される色調をいうが、30℃以下、相対湿度50%RHの雰囲気下での保存であれば、製造後1年以内に測定される色調でもよい。
(3−2)CRC(無加圧下吸水倍率)
本発明で得られる吸水性樹脂のCRC(無加圧下吸水倍率)は、10[g/g]以上が好ましく、20[g/g]以上がより好ましく、25[g/g]以上が更に好ましく、30[g/g]以上が特に好ましい。CRCの上限値は、特に限定されないが、後述のFCとの関係で50[g/g]以下が好ましく、45[g/g]以下がより好ましく、40[g/g]以下が更に好ましい。上記CRCが10[g/g]未満の場合、吸水性樹脂の吸水量が低く、紙オムツ等、衛生用品中の吸収体への使用に適さないおそれがある。又、上記CRCが50[g/g]を超える場合、SFCが向上しないか、又は、かような吸水性樹脂を吸収体に使用すると、液の取り込み速度に優れる衛生用品を得ることができないおそれがある。尚、CRCは、上述した内部架橋剤や表面架橋剤等で適宜制御することができる。
(3−3)AAP(加圧下吸水倍率)
本発明で得られる吸水性樹脂のAAP(加圧下吸水倍率)は、紙オムツでのモレを防止するため、上記乾燥を達成手段として、1.9kPaの加圧下更に好ましくは4.8kPaの加圧下におけるAAPとして、20[g/g]以上が好ましく、22[g/g]以上がより好ましく、24[g/g]以上が更に好ましい。AAPの上限値は、特に限定されないが、他の物性とのバランスから40[g/g]以下が好ましい。上記AAPが20[g/g]未満の場合、かような吸水性樹脂を吸収体に使用すると、吸収体に圧力が加わった際の液の戻り(通常、「リウェット(Re−Wet)」とも称される)が少ない衛生用品を得ることができないおそれがある。尚、AAPは、上述した表面架橋剤や粒度等で適宜制御することができる。
(3−4)SFC(生理食塩水流れ誘導性)
本発明で得られる吸水性樹脂のSFC(生理食塩水流れ誘導性)は、紙オムツでのモレを防止するため、上記乾燥を達成手段として、加圧下での液の通液特性であるSFCとして、1[×10−7・cm・s・g−1]以上が好ましく、10[×10−7・cm・s・g−1]以上がより好ましく、50[×10−7・cm・s・g−1]以上が更に好ましく、70[×10−7・cm・s・g−1]以上が特に好ましく、100[×10−7・cm・s・g−1]以上が最も好ましい。SFCの上限値は、特に限定されないが、3000[×10−7・cm・s・g−1]以下が好ましく、2000[×10−7・cm・s・g−1]以下がより好ましい。上記SFCが3000[×10−7・cm・s・g−1]を超える場合、かような吸水性樹脂を紙オムツ等の吸収性物品に使用すると、吸収性物品の実使用時に液漏れが発生するおそれがある。尚、SFCは、上述した乾燥方法等で適宜制御することができる。
(3−5)Ext(水可溶分)
本発明で得られる吸水性樹脂のExt(水可溶分)は、35重量%以下が好ましく、25重量%以下がより好ましく、15重量%以下が更に好ましく、10重量%以下が特に好ましい。上記Extが35重量%を超える場合、得られる吸水性樹脂のゲル強度が弱く、液透過性に劣ったものとなるおそれがある。又、かような吸水性樹脂を紙オムツ等の吸収性物品に使用すると、吸水体に圧力が加わった際の液の戻り(リウェット)が少ない吸水性樹脂を得ることができないおそれがある。尚、Extは、上述した内部架橋剤等で適宜制御することができる。
(3−6)Residual Monomers(残存モノマー)
本発明で得られる吸水性樹脂のResidual Monomers(残存モノマー)は、安全性の観点から、好ましくは0〜400ppm、より好ましくは0〜300ppm、更に好ましくは0〜200ppmに制御される。尚、Residual Monomersは、上述した重合方法等で適宜制御することができる。
(3−7)GEX値
本発明で得られる吸水性樹脂のGEX値は、21以上が好ましく、22以上がより好ましく、23以上が更に好ましい。吸水性樹脂のCRC(無加圧下吸水倍率)とExt(水可溶分)とは相反するがこれらの相対的な関係であるGEX値は高いほど好ましいが、上限としては100程度である。
(3−8)粒度
上記(2−4)に記載の粒度と同様の範囲とされる。
(3−9)本発明の吸水性樹脂
本発明の製造方法で得られる吸水性樹脂は、上記表面架橋及び粒度、吸水倍率(CRC)を制御することで、残存モノマーは少なく、通液性(SFC)が高く、かつ、残存過硫酸塩が少ない、新規な吸水性樹脂である。
即ち、本発明の製造方法を一例とする新規な吸水性樹脂は、吸水倍率(CRC)が5[g/g]以上、残存モノマーが0〜200ppm、生理食塩水流れ誘導性(SFC)が100[×10−7・cm・s・g−1]以上、かつ、過酸化物量が1ppm以下のポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂である。
かかる吸水性樹脂は、好ましくは上記範囲内のCRC、GEX、AAP、粒度等を有している。又、表面架橋が行われ、特に好ましくは共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤で表面架橋されてなる。更に、吸水性樹脂中のp−メトキシフェノール含有量は0〜40ppmが好ましく、0〜30ppmがより好ましく、0〜20ppmが更に好ましい。又、Fe含有量については上記範囲とされる。過酸化物量は0.5ppm以下が更に好ましく、N.Dが特に好ましい。本発明の新規な吸水性樹脂は、残存モノマーや過硫酸塩が少なく、又、好ましくはp−メトキシフェノールやFe量も少ないため、着色問題がほとんどない。
〔4〕吸水性樹脂の用途
本発明に係る製造方法により得られる吸水性樹脂の用途は、特に限定されず、紙オムツ、生理用ナプキン、失禁パット等の衛生用品、農園芸用保水剤、廃液固化剤や、工業用止水材等、吸収性物品に使用することができる。
本発明で得られる吸水性樹脂は、吸水性樹脂を高濃度に使用する吸収性物品で、特に優れた性能が発揮される。即ち、該吸収性物品中の吸収体における吸水性樹脂の含有量(コア濃度)は、30〜100重量%が好ましく、40〜100重量%がより好ましく、50〜100重量%が更に好ましく、60〜100重量%が更により好ましく、70〜100重量%が特に好ましく、75〜95重量%が最も好ましい。該コア濃度を上記範囲内とすることで、本発明の効果をより発揮することができるため、好ましい。特に、本発明で得られる吸水性樹脂を上記コア濃度の範囲内で吸収体上層部分に使用する場合、高通液性(加圧下通液性)のため、尿等の吸収液の拡散性に優れ、効率的な液分配によって、紙オムツ等、吸収性物品全体の吸収量が向上するため、好ましい。更に、衛生感のある白色状態が保たれた吸収性物品を提供することができるため、好ましい。
又、上記吸収体は、密度が0.06〜0.50[g/cm]であり、坪量が0.01〜0.20[g/cm]に圧縮成形されているのが好ましい。更に、上記吸収体の厚みは、好ましくは30mm以下、より好ましくは20mm以下、更に好ましくは10mm以下の薄型化の紙オムツにとって好適な吸収性物品を提供することができる。
以下、実施例及び比較例により本発明を説明するが、本発明はこれらによって限定的に解釈されるものではない。又、便宜上、「リットル」を「L」、「重量%」を「wt%」と記すことがある。尚、実施例に記載した諸物性は、特に記載のない限り、室温(20〜25℃)、湿度50RH%の条件下で、以下の方法に従って求めた。
[1]含水ゲル中の固形分に対する過酸化物量
容量260mlの蓋つきポリプロピレン製容器に、サンプルである含水ゲル3g及び5重量%塩化ナトリウム水溶液100g(ゲルが膨潤して攪拌できない場合、塩濃度又は水溶液の量は適宜調整される)を入れ、室温下に、遮光してテフロン(登録商標)コートされた25mmのスターラーを用いて500rpmで攪拌した。2時間経過後、該溶液を取り出し、フィルター(ジーエルサイエンス社製、GLクロマトディスク、水系25A、孔径0.45μm)に通過させた。その溶液5.00gをスクリューキャップ付きガラス製サンプル瓶(容量50ml、直径35mm、高さ約80mm)に入れた。その後、直ちに44重量%ヨウ化カリウム水溶液0.50gを加えて、室温下で、遮光して攪拌した。1時間経過後、その溶液をプラスチック製の1cmセルに移し、分光光度計(日立レシオビーム分光光度計U−1100形)を用いて、吸光度(測定波長;350nm)を測定した(5重量%塩化ナトリウム水溶液5gに44重量%ヨウ化カリウム水溶液を0.50g加えたもの(ブランク)の吸光度を0とした)。又、それぞれ、過酸化物を0ppm(未添加)、5ppm、10ppm、15ppm、20ppmを含有する5重量%塩化ナトリウム水溶液を作成し、上記操作により吸光度を求め、検量線を作成した。そして、得られたサンプルの吸光度及び検量線から、サンプルの含水ゲル中の過酸化物量(ppm)を算出した。
尚、乾燥後の吸水性樹脂についても、同様の方法で過酸化物が測定できる。又、測定限界は、ポリマー量や感度等で適宜決定されるが、本発明の含水ゲル及び吸水性樹脂の場合で、通常0.5ppmであり、検出限界(例えば0.5ppm)未満はN.D(Non−Detactable)とする。
[2]固形分濃度(樹脂固形分)
底面の直径が約50mmのアルミカップに、吸水性樹脂1.00gを量り取り、試料(吸水性樹脂及びアルミカップ)の総重量W1[g]を正確に秤量した。
次に、雰囲気温度180℃のオーブン中に上記試料を静置し、吸水性樹脂を乾燥させた。3時間経過後オーブンから該試料を取り出し、デシケーター中で室温まで冷却した。その後、乾燥後の試料(吸水性樹脂及びアルミカップ)の総重量W2[g]を秤量し、次式に従って固形分濃度(単位;[重量%])を算出した。
Figure 2011090130
尚、粒子状含水ゲル状架橋重合体の固形分濃度(樹脂固形分)の測定では、含水ゲルの使用量を約2〜4gとし乾燥時間を24時間とした以外は、上記と同様の操作で測定した。
[3]SFC(生理食塩水流れ誘導性)
本発明で得られる吸水性樹脂のSFC(生理食塩水流れ誘導性)は、米国特許第5669894号明細書の記載に従って測定した。
[4]GEX値
本発明で得られる吸水性樹脂のGEX値は、米国特許出願公開第2006/0167198号明細書の記載に従って算出した。即ち、CRC(無加圧下吸水倍率)をy[g/g]、Ext(水可溶分)をx[重量%]とした場合に、次式で定義される値をGEX値とした。
Figure 2011090130
Figure 2011090130
尚、GEX値は、吸水性樹脂の相反する物性(CRCとExt)を一義的に評価するパラメータであり、この値が大きいほど高性能である。
[5]その他の物性
吸水性樹脂のCRC(無加圧下吸水倍率)、粒度分布(上記「PSD」の項参照:ERT420.2−02に記載の方法)、pH可溶分(上記「Ext」の項参照:ERT470.2−02に記載の方法)、残存アクリル酸量(上記「Residual Monomers」の項参照:ERT410.2−02に記載の方法)等の物性については、上述したEDANAのERT、又は米国特許出願公開第2006/204755号明細書に準じて測定した。
[製造例1]
米国特許第6906159号明細書の実施例3に準じて、単量体濃度55重量%、中和率60モル%のアクリル酸塩を、紫外線を用いて重合し、竪型粉砕機でゲル解砕して、含水ゲル状架橋重合体を得た。
即ち、アクリル酸139.5g、ポリエチレングリコールジアクリレート(数平均分子量478)0.09g、及び2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン0.02gを混合した溶液(A)、48.5重量%NaOH水溶液95.8gをイオン交換水61.2gで希釈し、更にジエチレントリアミン五酢酸・五ナトリウム0.02gを加えたNaOH水溶液(B)をそれぞれ調整し、窒素ガス雰囲気下で30分間脱気した。上記NaOH水溶液(B)をマグネチックスターラーで攪拌しながら、上記溶液(A)を開放系で一度に加え混合し、単量体水溶液を得た。混合初期に析出物が見られるがすぐに溶解し、中和熱と溶解熱で液温が約90℃まで上昇した。得られた単量体水溶液の単量体濃度は55重量%、中和率は60モル%であった。
次いで、上記単量体水溶液に10重量%過硫酸ナトリウム水溶液0.58g(単量体1モルあたり、過硫酸ナトリウム0.03g)を加え数秒間攪拌した後、直ちに90℃に加熱したホットプレート上に置かれたステンレス製バット型容器(表面温度;約64℃)中に開放系で注いだ(溶液の厚さ約5mm)。尚、ステンレス製バット型容器は、そのサイズが底面200×260mm、上面560×460mm、高さ140mmであり、中心断面が台形で、上面が開放されている。又、ステンレス製バッド型容器の内面には、シリコンシートを貼り付けてある。そして、すぐにブラックライト水銀ランプ(ピーク波長352nm、形式H400BL、投光器MT−4020内に装着、ランプ・投光器ともに(株)東芝ライテック社製)で紫外線照射を行い、重合を開始した。重合は、水蒸気を発生し上下左右に膨張発泡しながら進行し、その後、元のサイズと同程度に収縮した。上記膨張時には、含水ゲル状架橋重合体が容器側面の傾斜部分を這い上がり、収縮時には、含水ゲル状架橋重合体が元の方向に戻るが容器の底面サイズより大きい状態で動きが止まる。尚、上記膨張量は、最大で単量体水溶液の体積の約30倍であった。該膨張収縮は、約1分以内に終了した。UV照射を2分間行った時点で含水ゲル状架橋重合体を取り出した。重合系の温度変化の記録から、重合開始温度は88℃であり、最高到達温度は111℃であった。得られた含水ゲル状架橋重合体は、気泡のサイズにもよるが、そのままか或いはつぶれた状態となって、皺の多い状態であった。
上記重合操作で得られた含水ゲル状架橋重合体を、竪型解砕機(形式VM27−S、(株)オリエント社製、スクリーン径12mm)で解砕して、流動性のある粒子状の含水ゲル状架橋重合体(1)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)のCRCは33[g/g]、水可溶分は6重量%、残存モノマーは600ppm、固形分濃度は70重量%、重量平均粒子径(D50)は2.5mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して280ppmであった。
[比較例1]
引き続いて、複数の重合(製造例1)によって得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む/熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は21.0)2kgをパンチングプレート(材質;SUS304、孔;長丸孔千鳥型・幅1.2mm・長さ15mm、開孔率;27%、大きさ;15cm×15cm)上に載せ、乾燥を行い、比較乾燥物(1)を得た。上記乾燥は、170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって流すことで行った。
乾燥後、上記比較乾燥物(1)をロールミルで粉砕し、次いで、得られた粉砕物を目開き600μmと300μmのJIS標準篩で分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(1)を得た。得られた比較吸水性樹脂(1)のCRC等の諸物性を表1に示す。
[比較例2]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で4分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して180ppmであった。尚、比較例2における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は13.5であった。
次いで、170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、比較乾燥物(2)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記比較乾燥物(2)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(2)を得た。得られた比較吸水性樹脂(2)の諸物性を表1に示す。
[実施例1]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度100℃、露点85℃、無風条件下で、30分間放置させた[過酸化物低減工程]。30分経過後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して95ppmであった。尚、実施例1における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は7.12であった。
次いで、170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、乾燥物(1)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記乾燥物(1)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの吸水性樹脂(1)を得た。得られた吸水性樹脂(1)の諸物性を表1に示す。
[比較例3]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度100℃、露点85℃、無風条件下で、30分間放置させた。30分経過後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して95ppmであった。尚、比較例3における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は7.12であった。
次いで、温度140℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、比較乾燥物(3)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記比較乾燥物(3)をロールミルで粉砕を試みたが、未乾燥物が存在し、ロールミル表面への付着が激しく、粉砕不可能であった。
[比較例4]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度100℃、露点85℃、無風条件下で、30分間放置させた。30分経過後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して95ppmであった。尚、比較例4における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は7.12であった。
次いで、温度140℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で60分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、比較乾燥物(4)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記比較乾燥物(4)をロールミルで粉砕、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(4)を得た。尚、粉砕時のロールミル表面には、未乾燥物由来の付着物は確認されなかった。得られた比較吸水性樹脂(4)の諸物性を表1に示すが、CRCは低い結果となった。
[実施例2]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で10分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して40ppmであった。尚、実施例2における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は3.00であった。
次いで、170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、乾燥物(2)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記乾燥物(2)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの吸水性樹脂(2)を得た。得られた吸水性樹脂(2)の諸物性を表1に示す。
[実施例3]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で7分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して80ppmであった。尚、実施例3における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は6.00であった。
次いで、温度170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、乾燥物(3)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記乾燥物(3)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの吸水性樹脂(3)を得た。得られた吸水性樹脂(3)の諸物性を表1に示す。
[実施例4]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(1)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して280ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度120℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で10分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、100ppmであった。尚、実施例4における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は7.50であった。
次いで、温度170℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例1と同様の乾燥操作を行い、乾燥物(4)を得た。
乾燥後、比較例1と同様に、上記乾燥物(4)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの吸水性樹脂(4)を得た。得られた吸水性樹脂(3)の諸物性を表1に示す。
Figure 2011090130
[製造例2]
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を0.03モル%(対単量体)を含む、中和率70モル%のアクリル酸部分ナトリウム塩水溶液(単量体濃度53重量%)に、過硫酸ナトリウム0.04g(対単量体1モル)、及びジエチレントリアミン五酢酸・五ナトリウム100ppmをラインミキシングで連続混合した後、ベルト重合機に供給して、水溶液重合を行った。
上記水溶液重合で得られた含水ゲル状架橋重合体を竪型解砕機(形式VM27−S (株)オリエント社製 スクリーン12mm)で解砕して、流動性のある粒子状の含水ゲル状架橋重合体(2)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(2)のCRCは20[g/g]、水可溶分は2.4重量%、残存モノマーは5000ppm、固形分濃度は69重量%、重量平均粒子径(D50)は2.4mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(2)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して370ppmであった。
[比較例5]
製造例2で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(2)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して370ppm含む/熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数28.5)を、トラバースフィーダーを用いて、連続通気ベルト式乾燥機に導入して乾燥を行い、比較乾燥物(5)を得た。該乾燥は、トラバースフィーダーのシーケンス制御によって、上記粒子状含水ゲル状架橋重合体(2)を連続可動している通気ベルト(パンチングメタル)上に連続的に積層させた。又、乾燥時間は35分間であった。尚、乾燥機及びその他の乾燥条件は、下記(a)〜(c)に設定した。
(a)連続通気ベルト式乾燥機
連続通気ベルト式乾燥機として、互いに独立して温度制御できる、同じ容積の乾燥室を合計6室有する乾燥機を使用した。各乾燥室の通過時間は約5.8分間(通気ベルト上で35分間/6室;)であった。
(b)熱風の温度と風速
各乾燥室に導入した熱風は、温度180℃、露点10℃、風速1.6[m/s]に設定した。尚、熱風の風向は、第1室については乾燥機下部から上方に、第2室から第6室までは乾燥機上部から下方とした。
(c)通気ベルト
通気ベルトとして、材質がSUS304のステンレス製ベルトであり、孔の幅が1.2mm、長さが15mmの長丸孔千鳥型、開孔率が27%であるパンチングメタルを使用した。
乾燥後、上記比較乾燥物(5)の全量を3段ロールミル(ロールギャップ;上から1.0mm/0.55mm/0.42mm)に連続供給することで粉砕した後、目開き850μmの金属篩網を有する篩い分け装置で分級し、比較吸水性樹脂(5)を得た。得られた比較吸水性樹脂(5)のCRC等の諸物性を表2に示す。
次いで、比較吸水性樹脂(5)100重量部に対して、プロピレングリコール0.6重量部、1,4−ブタンジオール0.3重量部、及び水3重量部からなる表面架橋剤溶液を、比較吸水性樹脂(5)に噴霧し均一となるように混合した。その後、上記の混合物を200℃で40分間加熱処理し、表面架橋された比較吸水性樹脂(5)を得た。
表面架橋された比較吸水性樹脂(5)35gと直径6mmのガラスビーズ10gとを、225mLのマヨネーズ瓶に入れ、プロセス上の耐衝撃モデルとして、ペイントシェイカー(東洋精機(株)製)で10分間振とうした。次いで、振とう後の比較吸水性樹脂粒子(5)30gに、該比較吸水性樹脂粒子(5)100重量部に対して、50重量%硫酸アルミニウム水溶液1.0重量部、プロピレングリコール0.025重量部、乳酸ナトリウム0.3重量部からなる通液性向上剤0.3gを添加・混合後、60℃で30分間硬化を行った。硬化後、直径6mmのガラスビーズ10gの入った225mlのマヨネーズ瓶に入れ、ペイントシェイカーで10分間振とうし、比較アルミ表面処理物(5)を得た。得られた比較アルミ表面処理物(5)の物性を表2に示す。尚、比較アルミ表面処理物(5)の過硫酸塩量はN.Dであり、残存モノマーは380ppmであった。
[実施例5]
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の使用量を0.02モル%(対単量体)に変更した以外は、製造例2と同様の水溶液重合及びゲル解砕を行い、流動性のある粒子状の含水ゲル状架橋重合体(3)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(3)のCRCは23[g/g]、水可溶分は2.6重量%、残存モノマーは4500ppm、固形分濃度は69重量%、重量平均粒子径(D50)は2.4mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(3)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して370ppmであった。
得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(3)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して370ppm含む)を比較例5と同様の方法で連続通気ベルト式乾燥機に導入した。該連続通気ベルト式乾燥機の第1室目については、水蒸気を混合することで露点を制御した温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で、乾燥機下部から上部に通風させ、第2室目以降については、比較例5と同様の乾燥条件(温度180℃;風速1.6[m/s];熱風の風向:第1室は乾燥機下部から上方、第2室から第6室は乾燥機上部から下方)を用いて乾燥を行い、乾燥物(5)を得た。
上記連続通気ベルト式乾燥機の第1室と第2室の間で、乾燥機上部より粒子状含水ゲル状架橋重合体をサンプリングし、測定した結果、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して95ppmであった。尚、実施例5における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は7.33であった。
上記乾燥物(5)の全量を、比較例5と同様の粉砕、分級を行い、吸水性樹脂(5)を得た。尚、粉砕後のロールミル表面に、未乾燥物由来の付着物は確認されなかった。得られた吸水性樹脂(5)の諸物性を表2に示す。
上記得られた吸水性樹脂(5)を比較例5と同様の表面架橋及びアルミ表面処理を行い、アルミ表面処理物(5)を得た。得られたアルミ表面処理物(5)の物性を表2に示す。尚、アルミ表面処理物(5)の過硫酸塩量はN.Dであり、残存モノマーは190ppmであった。
[実施例6]
実施例5で得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(3)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して370ppm含む)を比較例5と同様の方法で連続通気ベルト式乾燥機に導入した。該連続通気ベルト式乾燥機の第1室〜第6室(全室)において、温度100℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で、乾燥機下部から上部に通風させ、更に比較例5と同一条件(温度180℃;風速1.6[m/s];熱風の風向:第1室は乾燥機下部から上方、第2室から第6室は乾燥機上部から下方)に設定した連続通気ベルト式乾燥機に導入し、乾燥物(6)を得た。尚、上記、100℃の熱風を通風した後の粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して80ppmであった。尚、実施例6における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は6.17であった。
上記乾燥物(6)の全量を、比較例5と同様の粉砕、分級を行い、吸水性樹脂(6)を得た。尚、粉砕後のロールミル表面に、未乾燥物由来の付着物は確認されなかった。得られた吸水性樹脂(6)の諸物性を表2に示す。
上記得られた吸水性樹脂(6)を比較例5と同様の表面架橋及びアルミ表面処理を行い、アルミ表面処理物(6)を得た。得られたアルミ表面処理物(6)の物性を表2に示す。
Figure 2011090130
[製造例3]
2本のシグマ型ブレードを備えたニーダーに、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸、及び水からなるアクリル酸塩系単量体水溶液(単量体濃度:38重量%、中和率:75モル%)を調製し、内部架橋剤としてのポリエチレングリコールジアクリレートを前記単量体に対して0.06モル%となるように溶解させた。
次に、この水溶液に窒素ガスを吹き込むことで、水溶液中の酸素濃度を低減させるとともに、反応容器内全体を窒素置換した。続いて、2本のシグマ型ブレードを回転させながら、重合開始剤として、0.12モル%(対単量体)の過硫酸ナトリウム及び0.0006モル%(対単量体)のL−アスコルビン酸を添加し、ニーダー内で攪拌重合を行い、40分後に、粒子状含水ゲル状架橋重合体(4)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(4)のCRCは25[g/g]、水可溶分は2.5重量%、残存モノマーは5500ppm、固形分濃度は40重量%、重量平均粒子径(D50)は2mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(4)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して1320ppmであった。
[比較例6]
引き続いて、複数の重合(製造例3)によって得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(4)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して1320ppm含む/熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数303)2kgをパンチングプレート(材質;SUS304、孔;長丸孔千鳥型・幅1.2mm・長さ15mm、開孔率;27%、大きさ;15cm×15cm)上に載せ、乾燥を行い、比較乾燥物(6)を得た。上記乾燥は、温度180℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で30分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって流すことで行った。
乾燥後、上記比較乾燥物(6)をロールミルで粉砕し、次いで、得られた粉砕物を目開き600μmと300μmのJIS標準篩で分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(6)を得た。得られた比較吸水性樹脂(6)のCRC等の諸物性を表3に示す。
次いで、比較吸水性樹脂(6)100重量部に対して、プロピレングリコール0.6重量部、1,4−ブタンジオール0.3重量部、及び水3重量部からなる表面架橋剤溶液を、比較吸水性樹脂(6)に噴霧し均一となるように混合した。その後、上記の混合物を200℃で40分間加熱処理し、表面架橋された比較吸水性樹脂(6)を得た。
表面架橋された比較吸水性樹脂(6)35gと直径6mmのガラスビーズ10gとを、225mLのマヨネーズ瓶に入れ、プロセス上の耐衝撃モデルとして、ペイントシェイカー(東洋精機(株)製)で10分間振とうした。次いで、振とう後の比較吸水性樹脂粒子(6)30gに、該比較吸水性樹脂粒子(6)100重量部に対して、50重量%硫酸アルミニウム水溶液1.0重量部、プロピレングリコール0.025重量部、乳酸ナトリウム0.3重量部からなる通液性向上剤0.3gを添加・混合後、60℃で30分間硬化を行った。硬化後、直径6mmのガラスビーズ10gの入った225mlのマヨネーズ瓶に入れ、ペイントシェイカーで10分間振とうし、比較アルミ表面処理物(6)を得た。得られた比較アルミ表面処理物(6)の物性を表3に示す。
[比較例7]
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の使用量を0.05モル%(対単量体)に変更した以外は、製造例3と同様の水溶液重合を行い、粒子状の含水ゲル状架橋重合体(5)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(5)のCRCは26[g/g]、水可溶分は2.6重量%、残存モノマーは5800ppm、固形分濃度は40重量%、重量平均粒子径(D50)は1.9mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(5)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して370ppmであった。
次いで、得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(5)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して370ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して90ppmであった。尚、比較例7における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は20.7であった。
次いで、180℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で30分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例6と同様の乾燥操作を行い、比較乾燥物(7)を得た。
乾燥後、比較例6と同様に、上記比較乾燥物(7)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(7)を得た。得られた比較吸水性樹脂(7)の諸物性を表3に示す。
上記得られた比較吸水性樹脂(7)を比較例6と同様の表面架橋及びアルミ表面処理を行い、比較アルミ表面処理物(7)を得た。得られたアルミ表面処理物(7)の物性を表3に示す。尚、比較アルミ表面処理物(7)の過硫酸塩量はN.Dであり、残存モノマーは235ppmであった。
[比較例8]
断熱材である発泡スチロールで覆われた、内径80mm、容量1リットルのポリプロピレン製容器に、アクリル酸276.9g、ポリエチレングリコールジアクリレート0.90g(0.045モル%:対単量体)、及び、1.0質量%ジエチレントリアミン五酢酸・五ナトリウム水溶液1.68gを混合した溶液(A)と、48.5質量%水酸化ナトリウム水溶液221.81gと50℃に調温したイオン交換水183.4gを混合した溶液(B)を、マグネチィックスターラーで攪拌しながら(A)に(B)を開放系ですばやく加えて混合した。中和熱と溶解熱で液温が約102℃まで上昇した単量体水溶液が得られた。
得られた単量体水溶液が96℃になるまで待って、3質量%の過硫酸ナトリウム水溶液15.4gを加え、数秒攪拌した後に、ホットプレート(NEO HOTPLATE H1−1000、(株)井内盛栄堂製)により表面温度を100℃まで加熱された、内面にテフロン(登録商標)を貼り付けた底面250×250mmのステンレス製バット型容器中に開放系で注いだ。ステンレス製バット型容器は、そのサイズが底面250×250mm、上面640×640mm、高さ50mmであり、中心断面が台形で、上面が開放されていた。
単量体水溶液がバットに注がれて間もなく重合は開始した。水蒸気を発生して上下左右に膨張発泡しながら重合は進行し、その後、底面よりもやや大きなサイズにまで収縮した。この膨張収縮は約1分以内に終了し、4分間重合容器中に保持した後、含水重合体を取り出した。
得られた含水重合体を、ダイス径9.5mmのミートチョッパー(ROYAL MEAT CHOPPER VR400K、飯塚工業株式会社製)により粉砕し、細分化された粒子状含水ゲル状架橋重合体(6)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(6)のCRCは22[g/g]、水可溶分は2.3重量%、残存モノマーは6500ppm、固形分濃度は53重量%、重量平均粒子径(D50)は1.8mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(6)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して1250ppmであった。このときゲル投入量は約340[g/min]、ゲル投入と並行して脱イオン水を48[g/min]で添加しながら解砕を行った。
続いて、複数の重合によって得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(6)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して1250ppm含む/熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数163)2kgをパンチングプレート(材質;SUS304、孔;長丸孔千鳥型・幅1.2mm・長さ15mm、開孔率;27%、大きさ;15cm×15cm)上に載せ、温度180℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で30分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。乾燥を行い、比較乾燥物(8)を得た。
乾燥後、比較例6と同様に、上記比較乾燥物(8)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの比較吸水性樹脂(8)を得た。得られた比較吸水性樹脂(8)の諸物性を表3に示す。
上記得られた比較吸水性樹脂(8)を比較例6と同様の表面架橋及びアルミ表面処理を行い、比較アルミ表面処理物(8)を得た。得られたアルミ表面処理物(8)の物性を表3に示す。
[実施例7]
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を0.70g(0.035モル%:対単量体)を使用した以外は、比較例8と同様の水溶液重合及びゲル解砕を行い、粒子状の含水ゲル状架橋重合体(7)を得た。得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(7)のCRCは24[g/g]、水可溶分は2.5重量%、残存モノマーは6100ppm、固形分濃度は53重量%、重量平均粒子径(D50)は1.8mmであり、粒子状含水ゲル状架橋重合体(7)中の過硫酸ナトリウムは、固形分に対して1190ppmであった。
次いで、得られた粒子状含水ゲル状架橋重合体(7)(過硫酸ナトリウムを、固形分に対して1190ppm含む)2kgをパンチングプレート上に載せ、温度140℃、露点75℃の熱風を風速1.6[m/s]で20分間、パンチングプレートの下部から上方に向かって通風させた。通風後、該粒子状含水ゲル状架橋重合体に残存している過硫酸ナトリウムは、固形分に対して95ppmであった。尚、実施例7における熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数は12.4であった。
次いで、180℃、露点5℃の熱風を風速1.6[m/s]で30分間、パンチングプレートの上部から下方に向かって通風させた以外は、比較例8と同様の操作を行い、乾燥物(7)を得た。
乾燥後、比較例8と同様に、上記乾燥物(7)をロールミルで粉砕し、分級することにより、大部分の粒子径が300〜600μmの吸水性樹脂(7)を得た。得られた吸水性樹脂(7)の諸物性を表3に示す。
上記得られた吸水性樹脂(7)を比較例8と同様の表面架橋及びアルミ表面処理を行い、アルミ表面処理物(7)を得た。得られたアルミ表面処理物(7)の物性を表3に示す。尚、アルミ表面処理物(7)の過硫酸塩量はN.Dであり、残存モノマーは160ppmであった。又、表3には省略したが、150μm通過物は約1重量%、重量平均粒子径(D50)は約400μmであった。
Figure 2011090130
(まとめ)
特許文献28に開示された技術は、従来技術や特許文献28の比較例1〜5(固形分量あたりの過硫酸塩;計算値で約782〜983ppm)と比較して、乾燥時の過硫酸塩等の熱分解性ラジカル重合開始剤を増量(特許文献28の実施例1〜7(固形分量あたりの過硫酸塩;計算値で約1233〜2005ppm))させることで、含水ゲル中の熱分解性ラジカル重合開始剤含有指数を40〜100とするが、着色等の問題を有している。そこで、本発明は、特許文献28等に対して、固形分濃度45重量%以上、好ましくは50重量%以上、より好ましくは55重量%以上、更に好ましくは60重量%以上の含水ゲルを乾燥する際、本発明で規定する含水ゲル中の過硫酸塩を100ppm(固形分量あたり100ppm)以下に低減することで、更にGEX(吸水倍率と可溶分との関係)等を改善した。
従来技術に対して、本発明では、固形分濃度が45重量%以上、特に55重量%以上の含水ゲルを乾燥するに際して、過硫酸塩を低減することが重要であり、特許文献28の実施例に開示されていない高濃度(例えば、70重量%)の含水ゲルを乾燥する場合でも、高い物性(GEX値)の維持を可能とした。
又、実施例1〜4は、重合後の含水ゲルの固形分濃度が70重量%であり、吸水性樹脂100gに対して水分が42.9g存在する。一方、比較例6及び7は、固形分濃度が40重量%であり、吸水性樹脂100gに対して水分が150g存在する。以上のことから、水分除去に必要な乾燥エネルギーが、比較例に対して約1/3.5であり、CO削減や生産性、コストパフォーマンスが有利である。固形分濃度が45重量%以上の高濃度含水ゲルの乾燥において、物性を維持する本発明の優位性は明確である。
更に、実施例5及び実施例7において、表面架橋、特に共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤(アルミニウムカチオン)で表面架橋されたポリアクリル酸系吸水性樹脂は、吸水倍率(CRC)が5[g/g]以上、残存モノマーが200ppm以下、通液性(SFC)が100[×10−7・cm・s・g−1]以上、過酸化物量が1ppm以下である新規な吸水性樹脂を提供する。
吸水性樹脂の高濃度重合において、CRC(無加圧下吸水倍率)、Ext(水可能分)等の物性を維持又は向上した未乾燥物のない吸水性樹脂の効率的な乾燥方法を提供する。吸水性樹脂の生産性向上、コスト削減、製造工程でのエネルギー削減(CO排出量の削減)等、することができる。
更に、本出願は、2010年1月20日に出願された日本特許出願番号2010−009812号、及び2010年3月31日に出願された日本特許出願番号2010−084024号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

Claims (16)

  1. 不飽和単量体を重合させる重合工程と、重合中又は重合後の含水ゲル状架橋重合体を細粒化して得られた固形分濃度45重量%以上の粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥させる乾燥工程と、を含む吸水性樹脂の製造方法であって、
    上記乾燥工程において、乾燥に供される上記粒子状含水ゲル状架橋重合体中の過酸化物量が、当該粒子状含水ゲル状架橋重合体の固形分重量に対して、1〜100ppmであり、
    上記乾燥工程における上記粒子状含水ゲル状架橋重合体の乾燥温度が、160℃以上であることを特徴とする、吸水性樹脂の製造方法。
  2. 上記乾燥工程の前に、粒子状含水ゲル状架橋重合体を160℃未満の温度で加熱処理し、上記粒子状含水ゲル状架橋重合体中の過酸化物量を低減させる過酸化物低減工程を更に含む、請求項1に記載の製造方法。
  3. 上記過酸化物低減工程における加熱処理は、露点50〜100℃の雰囲気下で行われる、請求項2に記載の製造方法。
  4. 上記乾燥工程後に、得られた乾燥物を表面架橋する表面架橋工程を更に含む、請求項1〜3の何れか1項に記載の製造方法。
  5. 上記表面架橋工程後の吸水性樹脂の生理食塩流れ誘導性(SFC)が、10[×10−7・cm・s・g−1]以上である、請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。
  6. 上記重合工程における重合開始剤として、過酸化物を上記不飽和単量体の総量に対して200〜10000ppm使用する、請求項1〜5の何れか1項に記載の製造方法。
  7. 上記過酸化物が、過硫酸塩である、請求項1〜6の何れか1項に記載の製造方法。
  8. 上記表面架橋工程において、150〜250℃で加熱処理がなされる、請求項4〜7の何れか1項に記載の製造方法。
  9. 上記表面架橋工程において、共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤が併用される、請求項4〜8の何れか1項に記載の製造方法。
  10. 上記不飽和単量体がアクリル酸を主成分とし、上記吸水性樹脂がポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂である、請求項1〜9の何れか1項に記載の製造方法。
  11. 表面架橋前の吸水性樹脂の重量平均粒子径(D50)が、200〜600μmで、かつ、表面架橋前の吸水性樹脂の粒子径が150μm未満である粒子の割合が0〜5重量%である、請求項4〜10の何れか1項に記載の製造方法。
  12. 表面架橋前の吸水性樹脂のGEX値が21以上である、請求項1〜11の何れか1項に記載の製造方法。
  13. 吸水倍率(CRC)が5[g/g]以上、残存モノマーが200ppm以下、生理食塩水流れ誘導性(SFC)が100[×10−7・cm・s・g−1]以上、過酸化物量が1ppm以下のポリアクリル酸系吸水性樹脂。
  14. 共有結合性表面架橋剤及びイオン結合性表面架橋剤で表面架橋されてなる、請求項13に記載の吸水性樹脂。
  15. GEX値が21以上である、請求項13又は14に記載の吸水性樹脂。
  16. 重量平均粒子径(D50)が200〜600μmで、かつ、150μm未満である粒子の割合が0〜5重量%である、請求項13〜15の何れか1項に記載の吸水性樹脂。
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